Chimie 5e/6e - Chapitre 3 by VAN IN

CHIMIE 5e/6e

Sciences de base

Pierre Pirson Alain Bribosia Philippe Snauwaert André Tadino René Van Elsuwé

Dans la collection « Chimie » Chimie 3e – Sciences générales (5 périodes/semaine) Chimie 4e – Sciences générales (5 périodes/semaine) Chimie 3e/4e – Sciences de base (3 périodes/semaine) Chimie 5e – Sciences générales (6 périodes/semaine) Chimie 5e/6e – Sciences de base (3 périodes/semaine) Chimie 6e – Sciences générales (6 périodes/semaine) Dans la collection « Bio » Biologie 3e – Sciences de base et Sciences générales (3 ou 5 périodes/semaine) Biologie 4e - Sciences générales (5 périodes/semaine) Biologie 4e - Sciences de base (3 périodes/semaine) Biologie 5e – Sciences générales (6 périodes/semaine) Biologie 5e – Sciences de base (3 périodes/semaine). Édition 2012 Biologie 6e – Sciences générales (6 périodes/semaine) Biologie 6e – Sciences de base (3 périodes/semaine) Dans la collection « Physique » Physique 3e – Sciences de base et Sciences générales (3 ou 5 périodes/semaine) Physique 4e – Sciences de base et Sciences générales (3 ou 5 périodes/semaine) Physique 5e – Sciences générales (6 périodes/semaine) Physique 5e/6e – Sciences de base (3 périodes/semaine) Physique 6e – Sciences générales (6 périodes/semaine)

L’éditeur remercie tous ceux qui ont accepté de lui accorder l’autorisation de publier dans le présent ouvrage les extraits dont ils détiennent les droits de reproduction. En dépit de ses recherches et sollicitations, l’éditeur n’a pas réussi à joindre certains ayants droit. Qu’ils soient avertis ici qu’il reste à leur disposition pour satisfaire, le cas échéant, à la législation sur le droit d’auteur. Couverture : Primo&Primo Mise en pages : Softwin Crédits couverture : Sabine/Fotolia (ht), Imageselect (bas) Crédits photographiques : © Imageselect (p. 44, 82, 93, 137, 213 bas) ; © http://dardel.info (p. 3 d) ; © KEYSTONE-FRANCE (p. 9) ; © www.geoforum.fr (p. 18) ; © 123RF/calyptra (p.23) ; © BelgaImage/Science (p. 45) ; © ARENA Creative/Istockphoto (p. 57) ; © Securex white paper 2007 « La consommation d’alcool du salarié belge » (p. 58 bas) ; Marjan Laznik/Istockphoto (p. 59 d) ; © 2 Ph Bobak Ha’Eri (p. 75 bas) ; © BIS/Ph. DR Coll. Archives Larbor (p. 83 g et reprise p. 88) ; © Roger-Viollet (p. 107 g) ; dessin d’après Christophe Dang Ngoc Chan (p. 113) ; © Dmitry Naumov/Istockphoto (p. 115 bas) ; © www.autonewsinfo.com (p. 118 ht d) ; © www. ecoemballages.fr (p. 133 bas) ; © Cjp24, Wikipédia, DP (p. 136) ; © Ekopédagogue (p. 139) ; © ScienceSource/BelgaImage (p. 142) ; © SPL/Belgaimage (p. 145) ; © Nathan Griffith/Corbis (p. 152) ; © Sabine Kappel/Istockphoto (p. 155 m et reprise p. 163) ; © EPA/SANDOR H. SZABO/MAXPPP (p. 157 ht) ; d’après © leonello calvetti/Istockphoto (p. 167 bas) ; 4 Ph © A. Bribosia (p. 195, p. 209 g, p. 211 ht) ; © Ruslan Gilmanshin/Istockphoto (p. 197 m) ; © Brosen/Wikipedia (p. 204) ; © Luigi Chiesa (p. 211 bas) ; © Pagadesign/Istockphoto (p. 212 d) ; Design56/Istockphoto (p. 213 ht) ; © Claus Ableiter (p. 216 g) ; © Fotolia : Cybrain (p. VI), Dmitrijs Dmitrijevs (p. 3 g), SemA (p. 5), Lamax (p. 19 g), Svenni (p. 24 g), coulanges (p. 25), Shocky (p. 28), Double Brain (p. 30), TheJuice (p. 31 g), Walex101 (p. 31 m), Michael Nivelet (p. 31 d), tiero (p. 42), TheJuice (p. 43 bas), Sylvie Thenard (p. 44 g ballon), Chris DeArmitt (p. 44 g fullerène), JumalaSika ltd (p. 46), Evgenyb (p. 47 g), Sebastian Kaulitzki (p. 47 m), Arnybob (p. 47 d), ibreakstock (p. 52 m g), logos2012 (p. 52 m d),, ibreakstock (p. 52 bas), Firenight (p. 59 g), tomas del amo (p. 60), Joshua Haviv (p. 62), trubavink (p. 63 g), rcfotostock (p. 63 d), Anna Khomulo (p. 73 ht), Natalia Vainshtein (p. 73 bas), der Weltenbummler (p. 75 ht), Patrick Bonnor (p. 77 ht), Terex (p. 77 bas), rcfotostock (p. 83 m), psdesign1 (p. 83 d et reprise p. 89), Le Borgne Kelly (p. 91), Henrik Dolle (p. 94), cucumber images (p. 95 g), Weim (p. 95 d), artnovielysa (p. 96), Kheng Guan Toh (p. 98), Alta. C (p. 99 g), monregard (p. 99 m), Vil Karimov (p. 99 d), fkruger (p. 108), Arsen Shirokov (p. 109 g), Frédéric Massard (p. 109 m), Kesu (p. 109 d), pandore (p. 112 d), Nathalie Pothier (p. 114 d), KaferPhoto (p. 116), Argus (p. 117), Photlook (p. 118 g), Gamgrafik (p. 118 bas d), Alexandr Mitiuc (p. 119), tacna (p. 122), laurine45 (p. 123), monticellllo (p. 124), Fabien Cimetière (p. 125 g), Daniel Derouin (p. 125 m), SDVIG (p. 125 d), Terence Mendoza (p. 129), Alabrap (p. 130 ht), Unclesam (p. 130 m), Roman Milert (p. 130 bas), Mimon (p. 131 ht), Bouba (p. 131 m), Stéphane Maindron (p. 131 bas), Jacques PALUT (p. 132 ht g), Olivier Le Moal (p. 132 bas g), digitalstock (p. 132 ht d), Roberto Fasoli (p. 133 ht), Michal Ludwiczak (p. 140), trotzolga (p. 143 g), Earl Robbins (p. 143 m), Pixelmania (p. 143 d), Floris70 (p. 148), trotzolga (p. 151), stockdevil (p. 153), Deyan Georgiev (p. 154), caneren (p. 161), Sandor Kacso (p. 167 ht), meailleluc.com (p. 170), Phi&Lo (p. 182 g), Laurely (p. 185 m), Oleg-F (p. 185 d), C. Bluesman (p. 187), cris13 (p. 194), Zanoza-Ru (p. 196), Desrousseaux Cyril (p. 197 d), Unclesam (p. 205 ht), DayWalker (p. 205 bas), jpramirez (p. 207 ht), Gudellaphoto (p. 208), Graphies.thèque (p. 209 d), Kelpfish (p. 215 ht), Michael Flippo (p. 216 d).

© Éditions VAN IN, Mont-Saint-Guibert – Wommelgem, 2017, De Boeck publié par VAN IN Tous droits réservés. En dehors des exceptions définies par la loi, cet ouvrage ne peut être reproduit, enregistré dans un fichier informatisé ou rendu public, même partiellement, par quelque moyen que ce soit, sans l'autorisation écrite de l'éditeur. 3e édition - 3e réimpression 2019 ISBN 978-2-8041-9633-2 D/2017/0074/020 Art. 571599/04

Avant-propos Ce manuel de chimie s’adresse aux élèves du troisième degré qui suivent le cours de sciences à 3 périodes par semaine (Sciences de base). Il s’inscrit dans le cadre des nouveaux référentiels élaborés par des représentants des différents réseaux d’enseignement de la Fédération Wallonie-Bruxelles. Ce manuel est organisé en quatre unités d’acquis d’apprentissage (UAA) : les deux premières à l’intention des élèves de 5e année, les deux suivantes à l’intention des élèves de 6e année. 5e année 6e année

UAA 5 Les liaisons chimiques UAA 6 Les équilibres chimiques UAA 7 Notions de base de chimie organique UAA 8 Grandes classes de réactions chimiques

Chaque UAA présente les développements attendus. Ces développements sont répartis selon trois catégories : – expliciter des connaissances (C) : acquérir et structurer des ressources ; – appliquer (A) : exercer et maîtriser des savoir-faire ; – transférer (T) : développer des compétences. Dans ce manuel, l’approche qualitative est privilégiée. C’est pourquoi l’aspect quantitatif est volontairement limité : les applications numériques à résoudre se limitent le plus souvent à l’utilisation d’une seule formule. Dans de nombreux chapitres de ce manuel, l’expérimentation, fondamentale en sciences, est présente et est visualisée par le logo . Les expériences proposées seront réalisées : – soit par les élèves en groupes de 2 ou 3 ; – soit par le professeur qui veillera à la participation active de ses élèves. Quant aux développements attendus (processus), ils intègrent les ressources (savoirs et savoirfaire) qui y trouvent leur sens. proposent des ouvertures sur Tout au long des chapitres, des encarts marqués par le logo des applications relatives au sujet traité : elles sont ancrées le plus souvent dans l’actualité. Les pages « Pour en savoir plus… » à la fin des chapitres poursuivent le même objectif. L’apprentissage à travers ce manuel permettra aux jeunes de décoder des situations auxquelles ils sont confrontés et d’y faire face. Ils se prépareront ainsi à trouver leur place de citoyenne et de citoyen dans le monde techno scientifique qui est le nôtre et à y agir de façon responsable. Tout en restant fidèles à la démarche pédagogique de nos manuels, nous avons voulu cette nouvelle édition encore plus attractive que les précédentes : présentation revue tant sur le fond que sur la forme, réponses à des exercices, nombreuses photos et illustrations… Ce manuel devrait, dès lors, répondre à l’intérêt des élèves pour lesquels il est conçu ainsi qu’aux attentes de nombreux collègues. Nous remercions chaleureusement nos familles pour leur soutien et les éditions De Boeck pour leur professionnalisme. Enfin, nous remercions d’avance celles et ceux qui, par leurs avis et suggestions, voudront bien nous aider à améliorer notre travail. Les auteurs

III

Comment utiliser ce manuel ? Ce manuel comporte 4 unités d’acquis d’apprentissage (UAA) : les deux premières à l’intention des élèves de 5e année, les deux suivantes à l’intention des élèves de 6e année. Chaque UAA est découpée en chapitres (voir table des matières en fin de manuel) présentant chacun la même structure.

++ + + + ++

Ressources et processus à mobiliser

1. En début de chapitre, une liste de savoirs, savoir-faire et processus aidera les élèves dans leur travail d’étude.

Fo rmatio n e t c h a r ge d e s io n s. M o d è le d e l’o c t e t e t d e Le wis

Chapitre 1

À la fin de ce chapitre, tu seras capable de… SAVOIRS définir ion, cation, anion ; expliciter l’octet et le duet d’électrons externes ; expliquer pourquoi les atomes tentent d’acquérir un octet (ou un duet) d’électrons sur leur couche externe ; donner la charge : – des ions correspondants aux atomes métalliques des familles Ia, IIa et IIIa, – des ions correspondants aux atomes non-métalliques des familles VIa et VIIa, expliciter le modèle de Lewis des atomes des familles a.

SAVOIR-FAIRE déterminer la charge de l’ion dérivant d’un atome qui a donné ou capté un certain nombre d’électrons ; écrire l’équation symbolisant la perte ou le gain d’électron(s) par un atome ; écrire correctement le symbole d’un ion avec sa charge ; comparer la structure d’un atome avec celle de son ion ; retrouver la charge d’un ion polyatomique à partir de la formule de l’acide correspondant ; représenter, selon le modèle de Lewis, un atome de la famille a.

PROCESSUS décrire la structure électronique externe d’un atome à partir de sa position dans le tableau périodique des éléments et en déduire la valence (C).

UAA 8

Mise en situation Lors du mélange de deux solutions aqueuses, il se forme parfois un composé solide.

L’expérimentation suivante permettra d’observer la formation de quelques composés solides.

R Réaliser trois expériences permettant de visualiser la formation ou non de composés solides. Pour ce faire :

• observer. Refaire l’expérience mais en utilisant : • une solution 0,1 mol . L–1 d’hydroxyde de sodium NaOH et une solution 0,1 mol . L–1 de sulfate de cuivre (II) CuSO4 ; • une solution 0,1 mol . L–1 de chlorure de sodium NaCl et une solution 0,1 mol . L–1 de nitrate de baryum Ba(NO3)2. Consigner les observations.

Lorsqu’un composé solide se forme lors d’une des expériences réalisées, deux questions se posent. • Comment se forme un composé solide ? • Quelle est sa formule moléculaire ?

Mise en situation

• à l’aide d’une pipette, ajouter quelques millilitres d’une solution de nitrate d’argent AgNO3 0,1 mol . L–1 à 10 mL d’une solution de chlorure de sodium NaCl 0,1 mol . L–1 contenue dans un berlin de 100 mL ;

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2. Porteuse de sens, la mise en situation contient un questionnement dont la réponse sera généralement amorcée par une démarche expérimentale ou par la lecture d’un texte. Les expériences proposées seront réalisées : – soit par les élèves en groupes de 2 ou 3 ; – soit par le professeur qui veillera à la participation de ses élèves. . Elles sont signales par le logo

La théorie acide-base selon Brönsted et Lowry Pour illustrer la réactivité des solutions acides et/ou basiques utilisées dans les manipulations précédentes, une solution de vinaigre et une solution d’ammoniaque ont été utilisées. Les substances chimiques en solution dans l’eau déterminent l’acidité du milieu comme le montrent les teintes du jus de choux rouge dans les deux éprouvettes de la photo ci-dessous.

UAA 8

Appropriation Définition d’une base L’ammoniac NH3 à l’état naturel se présente sous forme d’un gaz qui est soluble dans l’eau.

3. En s’appuyant sur les résultats de l’expérimentation ou de la lecture de documents, les élèves découvrent de nouvelles notions dont la définition est signalée par le logo .

Lorsqu’il est en contact avec l’eau, il réagit partiellement selon l’équation suivante : – NH3(g) + H2O(l) NH+4(aq) + OH(aq) Sachant que le produit ionique de l’eau (Kw = [H3O+] . [OH–]) est constant dans toute solution aqueuse, la formation d’ions hydroxydes OH– confère un caractère basique à la solution d’ammoniaque car l’augmentation de la concentration en ions OH– entraîne une concentration en ions H3O+ inférieure à 10–7 mol . L–1. L’ammoniac NH3 possède donc la capacité de capturer un ion H+ provenant de l’eau H2O.

Définies, structurées, développées, ces notions débouchent, à leur tour, sur d’autres nouvelles notions.

Les chimistes ont identifié bien d’autres substances possédant cette propriété et les ont classées parmi les bases. Brönsted et Lowry ont également proposé, en 1923, une définition pour les bases. Une base est une espèce chimique capable d’accepter (capturer) un ion H+.

Définition d’un acide

En solution, l’acide et l’eau réagissent partiellement pour donner l’ion hydronium H3O+ et l’ion acétate selon l’équation suivante : CH3—COOH(l) + H2O(l) H3O+(aq) + CH3—COO –(aq) L’acide acétique, comme les autres acides étudiés dans le chapitre précédent, possède la capacité de donner un ion H+ à l’eau, ce qui aboutit à la formation d’ions H3O+. Brönsted et Lowry ont proposé, en 1923, une définition générale pour les acides. Un acide est une espèce chimique capable de donner un ion H+. Un acide, donneur d’ion H+, est symbolisé par HA. Il peut être : – soit une molécule entière (HCl, HNO3, H2SO4…) – soit un ion (NH4+, H3O+…)

Une base, accepteur d’ion H+, est symbolisée par B. Elle peut être : – soit une molécule entière (NH3, une amine comme CH3—NH2…) – soit un ion négatif (F–, OH–, CO32–…) Couple acide-base conjuguée Pour traduire, de façon générale, la libération potentielle d’un ion H+ par un acide HA, l’écriture suivante est utilisée : HA H+ + A– Dans ce cas, l’espèce A–, formée par la perte d’un ion H+ à partir de l’acide HA, est une base puisque théoriquement elle est susceptible de fixer un ion H+ pour reformer l’acide de départ (réaction inverse) : à un acide HA est donc associée une base A–. Nous dirons que : – l’entité formée A–, suite à la perte d’un ion H+ par l’acide, est la base conjuguée de l’acide HA ; – HA et A– forment un couple acide-base conjuguée, ce couple s’écrivant HA/A– où l’acide est toujours noté en premier lieu.

Appropriation

L’acide éthanoïque CH3—COOH appelé également acide acétique est l’acide présent dans le vinaigre.

Des encarts marqués par le logo proposent des ouvertures sur des applications au sujet traité. Ces applications sont ancrées le plus souvent dans la vie quotidienne. signale des extensions d’approLe logo priation sous le titre « Pour aller plus loin ».

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Activités d’apprentissage

4. Les exercices et les problèmes nombreux et diversifiés permettent aux élèves de consolider leurs savoirs et savoir-faire et d’effectuer des tâches relatives aux processus visés.

Co nf iguratio n spatiale et so lubilité dans l’ eau

Chapitre 4 1

Rechercher la configuration spatiale des molécules suivantes : HCN, SiCl4, CS2, H2S et Br2. Conclure quant à la polarité ou non-polarité de ces molécules.

Quelle est l’orientation la plus plausible pour les 2 molécules H20 ? Justifier la réponse. a)

= atome oxygène = atome hydrogène

3 4

L’alcool à brûler CH3 O

H est-il soluble dans l’eau ? Justifier.

Le très sérieux « European Science and Environnement Forum » s’est risqué à une plaisanterie qui montre combien on peut manipuler l’opinion publique et l’influencer. Extrait de l’article « L’industrie chimique utilise en quantité importante un composé chimique appelé hémioxyde d’hydrogène qui est à l’origine de fuites et d’infiltrations fréquentes. Il se retrouve dans les rivières et dans la nourriture humaine et animale. Il a les effets suivants sur l’environnement et la santé : • c’est le composant majeur des pluies acides ; • il participe à l’effet de serre ; • il peut être mortel par inhalation accidentelle ; • on le retrouve en quantité significative dans les tumeurs cancéreuses. » À la question « Le produit est-il dangereux et faut-il réglementer son utilisation, voire l’interdire ? », 76 % des personnes interrogées ont répondu oui, 19 % ne se prononcent pas, et seulement 5 % ont répondu non. Qu’en penses-tu ?

Une bouteille vide de limonade ou d’eau minérale d’1 L est percée de trois petits trous distants d’environ 2 mm et situés à environ 3 cm de sa base. En bouchant avec un doigt les trous, la bouteille est remplie entièrement d’eau de ville. Lorsque le doigt est retiré, trois fins filets d’eau jaillissent de la bouteille. En pinçant du pouce et de l’index les trois fins filets d’eau, ils se réunissent et ne font plus qu’un seul filet d’eau. Expliquer pourquoi, après avoir retiré les doigts, le filet d’eau ne se scinde plus.

UAA 8

Pour en savoir plus...

Des réactions acide-base dans notre quotidien De nombreuses réactions se déroulent quotidiennement, que ce soit dans notre organisme, lors de la cuisson d’un repas, d’un déplacement en voiture… Si nous portons peu d’attention à ces réactions, il existe d’autres situations dans lesquelles il peut être important de connaître les réactions chimiques qui s’y déroulent. Envisageons quelques-unes de ces situations.

L’emploi d’un déboucheur de canalisation Il arrive que, dans une habitation, une canalisation « se bouche » et que les eaux usées ne puissent plus s’évacuer. Les particuliers ont souvent recours à des produits commerciaux qui permettent d’éliminer les bouchons souvent d’origine organique (cheveux, papier toilette, lingette en coton, graisse, détritus de cuisine…). Il existe plusieurs types de déboucheurs selon leur composition chimique :

• les déboucheurs biocompatibles qui ne détruisent pas la flore bactérienne de la fosse septique. Leur composition est généralement d’origine enzymatique ; • les déboucheurs à base de soude caustique dont la solution est constituée d’hydroxyde de sodium NaOH à forte concentration ; • les déboucheurs acides souvent constitués d’acide sulfurique H2SO4 à forte concentration. Chaque produit a sa propre efficacité et durée d’action. Ces particularités peuvent être à l’origine d’accidents domestiques. Ainsi, après avoir versé le contenu d’une bouteille de Destop Instant® dans la canalisation bouchée d’un WC, Monsieur X n’observe pas d’évolution de la situation. Il verse alors le contenu d’un déboucheur acide. La canalisation bouchée s’échauffe rapidement, la température de la solution atteint 100 °C et des projections bouillantes et corrosives ont lieu. Monsieur X qui s’était heureusement éloigné ne peut que constater les dégâts dans son WC.

Pour en savoir plus…

5. Chaque chapitre se termine par un document qui étoffe le sujet traité. Ce document culturel est lié à l’actualité et aux domaines scientifique, historique, technologique, éthique, socio-économique...

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Les liaisons chimiques Au cours de cette unité d’acquis d’apprentissage, tu développeras les compétences suivantes : • à partir du modèle de Lewis et d’informations du tableau périodique des éléments, représenter une molécule avec ses liaisons ; • représenter la configuration spatiale d’espèces chimiques et prévoir leur comportement dans l’eau.

5 année UAA 5 e

Chapitre 1 Formation et charge des ions Modèle de l’octet et de Lewis

Chapitre 2 Liaison ionique et composés ioniques

++ + + + ++

Chlore : Cl

++ + + + ++

Anion chlore : Cl–

Chapitre 3 Liaisons covalentes parfaite et polarisée

Chapitre 4 Configuration spatiale et solubilité dans l’eau

Chapitre 3

Liaisons covalentes parfaite et polarisée Des atomes non-métalliques peuvent aussi se stabiliser en mettant en commun leurs électrons célibataires. Les liaisons covalentes ainsi formées sont tantôt parfaites, tantôt polarisées, et cela en fonction de la différence d’électronégativité entre les atomes liés.

Ressources et processus à mobiliser L iais on s cov ale n te s par f aite e t polar is é e

Chapitre 3

À la fin de ce chapitre, tu seras capable de… SAVOIRS expliquer pourquoi des atomes se lient au lieu de rester isolés ; expliquer comment une liaison chimique s’établit entre deux atomes ; définir : – électronégativité, – liaison covalente, – liaison covalente parfaite, – liaison covalente polarisée, – composés covalents.

SAVOIR-FAIRE prévoir, en te basant sur le numéro de la famille « a », si la liaison entre deux atomes est ionique ou covalente ; distinguer une liaison covalente parfaite d’une liaison covalente polarisée ; attribuer une ou des charges partielles aux atomes constitutifs de molécules simples.

PROCESSUS construire une représentation d’une molécule à partir du modèle de Lewis des atomes constitutifs sur base des informations extraites du tableau périodique des éléments (A) ; caractériser une liaison à partir de l’électronégativité des atomes constitutifs (A).

UAA 5

Mise en situation Au chapitre précédent, tu as appris pourquoi et comment des atomes métalliques et non-métalliques se lient pour former des composés ioniques de type MX (NaCl), MXO (Cu(NO3)2) et MOH (NaOH). Mais qu’en est-il pour les composés de type X2 (Cl2), XO (CO2), HX (HCl) ou HXO (H2SO4) dans lesquels il n’y a que des atomes non-métalliques ?

Modèles de quelques molécules Une grande majorité des corps chimiques existants appartiennent à ces dernières catégories. Parmi ceux-ci, le dihydrogène H2 peut être facilement préparé en classe.

Pour ce faire : • verser un peu d’une solution d’acide chlorhydrique diluée dans un tube à essais (A) contenant un morceau de magnésium ; •  coiffer immédiatement le tube à essais (A) d’un autre tube à essais (B), ouverture vers le bas ; •  sans retourner le tube à essais (B), le présenter légèrement incliné au-dessus de la flamme d’un bunsen pour faire détoner le gaz contenu dans le tube à essais (test caractéristique de la présence d’H2) ; •  dessiner, selon le modèle de Lewis, la structure électronique des atomes H ; •  trouver comment, dans la molécule H2, chacun des atomes H peut acquérir son duet d’électrons en faisant référence à l’analogie suivante. Lors de manœuvres, il est fréquent que, pour alléger leur paquetage, deux militaires portent chacun une demi-tente.

Pour passer la nuit, ils mettent bien sûr en commun leurs demi-tentes afin de monter la tente commune qui leur permettra de dormir confortablement. HCl

Mise en situation

Préparer du dihydrogène H2 et s’interroger sur la nature des liaisons expliquant la stabilité des molécules H2.

Appropriation L iais on s cov ale n te s par f aite e t polar is é e

Chapitre 3

Liaison covalente ou covalence

•  Ainsi, dans la molécule H2O, l’atome O est lié aux deux atomes H par deux covalences :

Grâce à l’analogie proposée, tu as sans doute H H O H + O + H→ H O trouvé que, dans la molécule H2, chaque atome H a mis son électron célibataire + H→ H O H noté H O H H + O en commun avec l’électron célibataire de l’autre atome H pour former une paire électronique •  Ainsi, dans la molécule NH3, l’atome N est liant les deux atomes. lié aux trois atomes H par trois covalences : H + H→ H électrons célibataires

H → H–H paire liante commune

Cette paire liante (représentée par un trait « — ») appartient alors à chaque atome H. Il en résulte que chaque atome H lié dispose d’un doublet d’électrons et a la même configuration externe qu’un atome de gaz inerte He. Dès lors, les deux atomes H sont stabilisés et la molécule H2 résultant de leur association est stable également. Ce type de liaison s’établit, en général, entre atomes non-métalliques. Les chimistes lui ont donné le nom de « liaison covalente ».

H N

+ 3H

→

H H noté

L’ammoniaque commercial est une solution à 25 % en masse, en moyenne, d’ammoniac NH3. L’étiquette commerciale donne quelques informations à son sujet.

ammoniaque - ammoniak contenant de 10 à 35% de NH3 - met 10 tot 35% NH3

La liaison covalente ou covalence est la liaison qui résulte de la mise en commun de deux électrons célibataires. Le modèle de la liaison covalente permet de rendre compte de l’existence de molécules stables comme HCl, H2O, NH3, CH4 ainsi que beaucoup d’autres. •  Ainsi, dans la molécule HCl, l’atome Cl est lié à l’atome H par une covalence : H

Cl → H

Cl → H Cl

L’acide chlor hydrique HCl est utilisé dans la vie courante sous le nom d’esprit de sel. L’étiquette commerciale collée au récipient renferme plusieurs informations à son sujet.

•  Ainsi, dans la molécule de méthane CH4, l’atome C est lié aux quatre atomes H par quatre covalences : H C + 4H → H

C H

H H noté H

Le méthane est le constituant principal du gaz naturel ; il se forme par l’action de bactéries sur des matériaux organiques. Parmi les mammifères domestiques, les principaux producteurs de méthane sont les vaches ; leurs bactéries intestinales en produisent en moyenne 300 L par jour.

Ces quatre molécules HCl, H2O, NH3 et CH4 sont stables car les atomes Cl, O, N et C sont entourés d’un octet d’électrons et les atomes H d’un duet d’électrons.

UAA 5

Électronégativité des atomes Nous venons d’introduire le modèle de la covalence entre atomes identiques et entre atomes différents. Dans ce modèle, les atomes mettent en commun leurs électrons célibataires pour former des paires d’électrons les unissant : les paires liantes. Nous pouvons cependant nous demander si la covalence est de même nature entre atomes identiques et entre atomes différents. La « mise en commun » se fait-elle de façon équivalente ? Pour répondre à cette question, nous allons comparer le comportement des molécules H–H (H2) avec celui des molécules H–F (HF), placées entre deux plaques chargées, l’une positivement et l’autre négativement. Cette comparaison sera établie à partir des résultats de l’expérience schématisée ci-dessous : H H

H H

H H H H

H F H F H F H F

Les molécules H-H se placent, entre les plaques, sans orientation particulière, alors que les molécules H-F ont tendance à s’aligner en orientant l’atome F vers la plaque positive et l’atome H vers la plaque négative. Ces observations permettent de conclure que, dans les molécules H-F, le fluor est chargé négativement (puisqu’il s’oriente vers la plaque positive), alors que l’hydrogène (orienté vers la plaque négative) est chargé positivement.

au hasard entre les deux plaques : leurs extrémités ne sont donc ni positives ni négatives. Dans ce cas, les électrons de la paire liante «  appartiennent  » de façon équivalente aux deux atomes, ce qui n’est pas étonnant puisque ces atomes sont identiques. Le partage des paires liantes ne se fait donc pas de manière équivalente dans les deux molécules H–H et H–F : l’affinité de l’atome F pour les e– de liaison est supérieure à celle de l’atome H. Des expériences similaires montrent que d’autres atomes que F ont aussi une affinité plus ou moins marquée pour les e– de liaison. Afin de comparer l’attraction des atomes envers les électrons de liaison, les chimistes utilisent une propriété des atomes : leur électronégativité (symbolisée par la lettre grecque χ (khi)). L’électronégativité (χ) d’un atome est sa tendance à attirer les e– de liaison. Le chimiste américain L. Pauling1 a calculé l’électronégativité des différents atomes. Ces valeurs d’électronégativité sont indiquées dans le coin supérieur droit de chaque case du tableau périodique : Numéro atomique Symbole Masse atomique relative

Électronégativité

X Ar

Remarquons, dans le tableau périodique reproduit en partie ci-après, que les valeurs d’électronégativité des atomes augmentent de gauche à droite dans les périodes et de bas en haut dans les familles. L’atome le plus électronégatif est donc l’atome fluor F (χ = 4,0) et les atomes les moins électronégatifs sont les atomes césium et francium Cs et Fr (χ = 0,7).

Cela implique donc que l’atome F dispose d’un surplus électronique par rapport à l’atome H : les électrons de la paire liante « appartiennent davantage » au fluor qu’à l’hydrogène. Par contre, pour les molécules H-H, l’observation montre que les molécules sont orientées

1. Linus Pauling (1901-1994), chimiste américain, prix Nobel de Chimie en 1954 et prix Nobel de la Paix en 1962.

Appropriation

Des composés comme l’esprit de sel, l’eau, l’ammoniac et le méthane, constitués de molécules dans lesquelles les atomes sont liés par des liaisons covalentes, sont appelés composés covalents.

ectronégativité

L iais on s cov ale n te s par f aite e t polar is é e

Chapitre 3 Ia IIa FICATION PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS

2 8

1,3

5f 46d17s2

18 32 22

ptunium

9 2

7,05

mique relative

Vb 1,6

4s2

VIb 2 24 8 (Ar)3d54s1 11 2

dium

1,6

13 1

Chrome

52,00 1,6

5s1

2 42 8 (Kr)4d55s1 18 12 1

ium

1,8

Molybdène

1s1

1H 3

2 Li

2 5 2 1s22s22p1

1,5 2

élément à prédominance non-métallique Lithium

Béryllium

6,94

VIIb 1,5

VIIIb 2 26 8 (Ar)3d64s2 13 2

Manganèse

1,8

2 27 8 (Ar)3d74s2 14 2

Fer

54,94

1,9

3 Na

18 13 2

2 28 8 (Ar)3d84s2 15 2

2,2

2 29 19 (Ar)4s1104s1 8 (Ar)3d

16 2

Rh Rhodium

2,2

2 47 37 (Kr)5s1105s1 8 (Kr)4d

18 18

Palladium

1,6 1,0

Zn Ca

IIIb

Argent Rubidium

Azote

1,8

2 15 8 (Ne)3s23p3 4

IVb

102,91

28,09

4,00 3,5

5 91s22s22p4 2

2 9 6 1s22s22p5

2 16 8 (Ne)3s23p4 5

2 10 7 1s22s22p6

Fluor 2,5

2 17 8 (Ne)3s23p5 6

VIb

K L

3,0

Cl-

2 8

VIIb

K L M

39,95

As V

Se Cr

Br Mn

Kr Fe

Gallium Scandium

Germanium Titane

Arsenic Vanadium

Sélénium Chrome

Brome Manganèse

Krypton Fer

Cobalt

2 49 1,7 1,3 39 15s 5s225p1 8 (Kr)4d10

2 50 1,8 1,4 40 25s 5s225p2 8 (Kr)4d10

2 51 1,9 1,6 41 45s 5s125p3 8 (Kr)4d10

2 52 2,1 1,8 42 55s 5s125p4 8 (Kr)4d10

2 53 2,5 1,9 43 55s 5s225p5 8 (Kr)4d10

18 188 2

Cadmium Strontium

In Y

18 189 32

Indium Yttrium

Sn Zr

18 18 10 42

Étain Zirconium

Sb Nb

18 18 12 51

Antimoine Niobium

Te Mo

79,90 54,94

18 18 13 61

Tellure Molybdène

ITc

83,80 55,85

2 54 2,2 44 75s 5s125p6 8 (Kr)4d10 18 18 13 72

Iode Technétium

Xe Ru

(Ne

1,9

Ib 2 28 8 (Ar)3d84s2 15 2

16 2

2,2

M N O Rhodium

2 46 8 (Kr)4d105s0 18 16 1

1,9

2 30 8 (Ar)3d104s2 18 1

2 47 8 (Kr)4d105s1 18 18

Palladium

1,6

Alu

2 31 8 (Ar) 18 2

Zinc

63,55 2,2

IIb

Cuivre

58,69

K 2 45 L 85s1 8 (Kr)4d

Xénon Ruthénium

2 29 8 (Ar)3d104s1

Nickel

58,93

18 18 15 81

1,9

2 48 8 (Kr)4d105s2 18 18 1

69 1,7

2 49 8 (Kr) 18 18 2

Cadmium

107,87

65,38

Argent

95,94 126,90 98,91 131,30 101,07 102,91 plus106,40 •  les e–127,60 de liaison appartiennent à un atome qu’à l’autre qui lui est lié : dans ce cas, la liaison est dite « liaison covalente polarisée ». 208,98 180,95 (209) 183,85 (210) 186,21 (222) 190,20 192,22 195,10 121,75 92,91

gaz rare

VIIIb

Argon

35,45

78,96 52,00

2 18 8 (Ne)3s23p6

Ge Ti

74,92 50,94

1s2

élément à prédominance non-métallique

Ga Sc

72,64 47,87

élément à prédominance métallique

20,18

Chlore

32,07

2 8

Néon

19,00

Soufre

30,97

4,0

Oxygène

relative 16,00

2,1

élément non-métallique

Hélium

18 32 2228

Phosphore

106,40 ci-dessous 107,87 85,47 112,40 87,62 114,82 88,91 118,70 91,22 de Le schéma visualise l’évolution l’électronégativité des atomes en fonction du numéro des familles a et des périodes. -

101,07

élément métallique

K 2 31 21 1,6 1,3 2 32 22 1,8 1,5 2 33 23 2,0 1,6 2 34 24 2,4 1,6 2 35 25 2,8 1,5 2 36 26 1,8 2 27 14s 24s 34s 54s 54s 64s 4s224p1 4s224p2 4s224p3 4s124p4 4s224p5 4s224p6 L 74s2 8 (Ar)3d10 8 (Ar)3d10 8 (Ar)3d10 8 (Ar)3d10 8 (Ar)3d10 8 (Ar)3d10 8 (Ar)3d 188 189 18 10 18 11 18 13 18 13 18 14 M 2 32 42 52 61 72 82 N

1,7 1,0

Cd Sr

Silicium

69,72 44,96

2 48 38 (Kr)5s2105s2 8 (Kr)4d 18 188 1

26,98

65,38 40,08

1,9 0,8

Pd 5 Ag Rb

2 7 3,0 2s22p3 4 1s2Neptunium

237,05

2 14 8 (Ne)3s23p2

Aluminium

Zinc Calcium

63,55 39,10

2 46 8 (Kr)4d105s0 18 16 1

2 30 20 (Ar)4s2104s2 8 (Ar)3d

Cuivre Potassium

58,69 2,2

IIb

188 1

1,5

2 8

1,3

(Rn)5f 46d17s2

12,01 masse atomique 14,01

24,31

1,9 0,8

Ni 4 Cu K Nickel

2 45 8 (Kr)4d85s1 18 15 1

1,9

Carbone

Mg AlMagnésium

22,99

58,93

Ruthénium

98,91

Sodium

Cobalt

55,85 2 44 8 (Kr)4d75s1

1,9

2 13 8 (Ne)3s23p1

1,2

2,5

nom

10,81

2 12 8 (Ne)3s2

0,9

(Ne)3s1

2 6 3 1s22s22p2

Bore

9,01

gaz rare

2,0

symbole

1,0

1s électrons par couche

électrons par orbitale

élément à prédominance 1s 2smétallique 1 1s 2s

Technétium

95,94

nombre atomique

2,1

1,01

2 43 8 (Kr)4d55s2

18 13 1

élément non-métalliqueHydrogène

2 25 8 (Ar)3d54s2

IVa Va VIa VIIa 0 CLASSIFICATION PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS électronégativité

élément métallique

électrons par couche

IIIa

Ind

112,40

K 1,5 2 74 1,7 2 75 1,9 2 76 2,2 2 77 2,2 2 78 2,2 2 79 55 2,4 0,7 2 80 1,9 0,9 2 81 1,8 1,1 2 82 1,8 1,3 2 83 1,9 1,5 2 84 2,0 1,7 2 85 2,2 1,9 2 86 2,2 2 77 2,2 2 78 2,2 2 79 2,4 2 80 1,9 2 81 56 57 72 73 74 75 76 45d36s2 1 5d106s1 2 5d106s2 26s 36s 46s 56s 66s (Xe)6s14 (Xe)6s14 (Xe)5d1416s 5d2106s26p1 6s226p2 6s226p3 6s226p4 6s226p5 6s226p6 L 145d76s2 8 (Xe)4f145d46s2 8 (Xe)4f145d56s2 8 (Xe)4f145d66s2 8 (Xe)4f145d76s2 8 (Xe)4f145d96s1 8 (Xe)4f 8 (Xe)4f 8 (Xe)4f 8 (Xe)4f145d10 8 (Xe)4f145d10 8 (Xe)4f145d10 8 (Xe)4f145d10 8 (Xe)4f145d10 8 (Xe)4f 8 (Xe)4f145d96s1 8 (Xe)4f145d106s1 8 (Xe)4f145d106s2 8 (Xe 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 M 18 18 18 18 18 32 32 32 32 32 32 32 18 32 32 18 32 32 32 32 32 N 32 32 32 32 11 12 13 14 15 17 188 188 189 18 10 18 11 18 12 18 13 18 14 O 15 17 18 18 ale Césium Baryum Lanthane Hafnium Tantale Tungstène Rhénium Osmium 2 Tungstène 2 Rhénium 2 Osmium 2 Iridium 2 Platine 1 Or 1 Mercure 2 Thallium 32 Plomb 42 Bismuth 52 Polonium 62 Astate 72 Radon 82 Iridium 2 Platine 1 Or 1 Mercure 2 Th P

25d06s2

ium

186,21

190,20

192,22

2 107 8 (Rn)5f146d57s2 18 32 32 12 Bohrium 2 (264)

2 108 8 (Rn)5f146d67s2 18 32 32 13 Hassium 2 (265)

2 109 8 (Rn)5f146d77s2 18 32 32 14 Meitnerium 2 (266)

140,91

1,3

2 59 1,1 2 60 1,2 2 61 8 (Xe)4f 35d06s2 8 (Xe)4f 45d06s2 8 (Xe)4f 55d06s2 18 18 18 20 21 22 8 8 8 2 Praséodyrne 2 Néodyme 2 Prométhium

06d27s2

183,85

144,24

2 91 1,5 8 (Rn)5f 26d17s2 18 32 18

2 92 1,4 8 (Rn)5f 36d17s2 18 32 20

10 Protactinium 2 231,04

9 Uranium 2 238,03

146,92

2 93 1,3 8 (Rn)5f 46d17s2 18 32 21

9 Neptunium 2 237,05

195,10

196,97 132,91

2 64 8 (Xe)4f 75d16s2 18 25 8 2 Gadolinium

Eu 6 Gd

150,40

18 32 22

151,96

2 95 1,3 8 (Rn)5f 76d07s2 18 32 24

9 Plutonium 2 239,05

200,60 137,34

Ds 7 Rg Fr

2 62 1,2 2 63 8 (Xe)4f 65d06s2 8 (Xe)4f 75d06s2 18 18 23 24 8 8 2 Samarium 2 Europium 2 94 1,3 8 (Rn)5f 66d07s2

Hg Ba

2 110 2 111 87 0,7 1 6d107s1 (Rn)7s14 8 (Rn)5f146d87s2 8 (Rn)5f 18 18 32 32 32 32 Francium 15 Darmstadtium 16 Roentgenium (223) 2 (281) 2 (280)

Cn Ra Tb

(Rn)5f 96d07s2

18 32 25

8 Curium 2 247,07

Tl La

Pb Hf

204,37 138,91

207,20 178,49

Bk IIIa

Dy 162,50

2 98 8 (Rn)5f 106d07s2

actinides 18 32 27

IVa

Cf Va

VIa

32 Seaborgium 11 Livermorium (263) 2 (293)

(Rn)5f146d57s2

(Rn)5f146d67s2

(Rn)5f146d77s2

2,5

Uus Bh Uuo Hs Mt

32 32 Bohrium Hassium 12 Ununseptium 13 Ununoctium (264) (265) 2 (294) 2 (294)

32 O 14 Meitnerium P 2 (266) Q

164,93

1,5

0,5 0

8 Einsteinium 2 254,09

VIIa

L’intérêt de ces valeurs d’électronégativité des atomes est de nous permettre de savoir si, dans une molécule, •  les e– de liaison appartiennent autant à un atome qu’à l’autre qui lui est lié : dans ce cas, la liaison est dite « liaison covalente parfaite » ;

2. Nous attirons ici l’attention sur le fait que toutes les représentations des différentes molécules reprises dans ce chapitre ne sont que des modèles. Dans certains cas, d’autres arguments théoriques ou expérimentaux nécessiteront, dans la suite, d’élaborer de nouveaux modèles.

196,97

200,60

Tm Pr

06d (Rn)5f 12 6d207s 7s22

Fm Th

Thorium 8 Fermium 232,04 2 257,10

Yb Nd

26d (Rn)5f 13 6d107s 7s22

30 18

Md Pa

Lu Pm

36d (Rn)5f 14 6d107s 7s22

31 20

No U

Protactinium 108 Mendelévium 231,04 2 258,10

Uranium 89 Nobélium 238,03 2 255,00

H Cl

46d (Rn)5f 14 6d117s 7s22

32 21

Lr Np

(Rn)5f 66d07s2

32 22

(Rn)5f 76d07s2

Pu O

Neptunium 89 Lawrencium 237,05 2 262,10

9 Plutonium P 2 239,05 Q

→

8 Américium 2 241,06

Ce type de liaison se rencontre dans des molécules H2, Cl2, ... H Cl

Remarquons que, dans Cl2, chaque Cl possède en plus de la paire liante, 3 paires d’e– ne participant pas à la liaison : ce sont des paires ou doublets libres (représentés par un trait —). Alors que les atomes des molécules H2 et Cl2 ne mettent chacun en commun qu’un e– célibataire, d’autres atomes, pour se lier, mettent chacun en commun 2 ou 3 e– célibataires, partageant ainsi deux ou trois paires d’e–. •  Ainsi, deux atomes oxygène mettent chacun en commun 2 électrons célibataires pour former la molécule O2 : O

→

(Rn)5f146d107s1

La covalence parfaite résulte de la mise en commun de deux et du 151,96 par167,26 140,12 168,93 140,91électrons 173,04 144,24 célibataires 174,97 146,92 150,40 K 2 100 2 102 90 tage 1,3 2 101 91de 1,5 92 1,4 2 103 93 d’électrons 1,3 2 94 1,3 2entre 95 1,3 cette paire 8 8 8 8 8 L 8 18 18 18 18 18 M 18 deux atomes de même électronégativité. 32 32 32 32 32 N 32

Ho2 Er Ce

2 99 8 (Rn)5f 116d07s2

2 112 8 (Rn)5f146d107s2 18 32 32 32 32 15 Darmstadtium 16 Roentgenium 18 Copernicium 2 (281) 2 (280) 1 (285) (Rn)5f146d87s2

K 2 67 1,2 2 68 58 1,2 1,1 2 69 1,2 1,1 2 70 1,1 1,2 2 71 1,2 2 62 1,2 2 63 59 60 61 L 65d06s2 8 (Xe)4f 115d06s2 8 (Xe)4f1225d006s22 8 (Xe)4f1335d006s22 8 (Xe)4f1445d006s22 8 (Xe)4f1455d016s22 8 (Xe)4f 8 (Xe)4f 75d06s2 18 18 18 18 18 18 M 18 28 29 30 20 31 21 32 22 32 23 N 24 8 8 8 8 8 98 O 8 Cérium Praséodyrne 2 Ytterbium Néodyme Prométhium 2 Samarium 2 Holmium 2 Erbium 2 Thulium 2 Lutétium 2 Europium P

18 32 28

8 Californium 2 251,08

Rn Os

La covalence parfaite

lanthanides

At Re

(Rn)5f146d47s2

Uut Ac Fl Rf- 3,5 Uup Db Lv Sg

Types de liaisons covalentes2

Po W

K 2 116 2 117 2 118 2 109 2 110 106 à présent 107 108 Voyons comment distinguer ces 28 111 8 8 8 8 L 8 18 18 18 18 M 18 18 deux 32types de32 covalence. 32 32 N 32 32

9 Berkélium 2 249,08

IIa

Bi Ta

2 113 2 115 89 1,1 2 114 104 105 8 (Rn)6d17s2 8 (Rn)5f146d27s2 8 (Rn)5f146d37s2 18 18 18 32 32 32 32 18 18 32 Actinium Rutherfordium 10 Ununpentium Dubnium 188 Ununtrium 9 Flérovium (227) (261) (262) 2 (284) 2 (289) 2 (288)

2 65 1,2 2 66 (1,2) 8 (Xe)4f 95d06s2 8 (Xe)4f 105d06s2 18 18 25 27 9 8 2 Terbium 2 Dysprosium

 157,25 groupes 158,93 c:  2 96 97  8

Am 7 Cm

8 Américium 2 241,06

2 112 88 0,9 2 6d107s2 (Rn)7s14 8 (Rn)5f 18 32 32 18 Radium 188 Copernicium 226,03 1 (285)

2 8 (Rn)5f 76d17s2

18 32 25

Période 5

1,1

Pt 6 Au Cs

2 106 8 (Rn)5f146d47s2 18 32 32 11 Seaborgium 2 (263)

)

Période 1

nium

Période 2

46d37s2

Période 3

Période 4

2 64 8 (Xe)4f 75d16s2 18 25 8 2 Gadolinium

Gd 157,25

2 96 8 (Rn)5f 76d17s2 18 32 25

8 Curium 2 247,07

2 11 8 18 32 32 18 Un 2 (2

2 65 1,2 2 66 8 (Xe)4f 95d06s2 8 (Xe 18 18 25 27 9 8 2 Terbium 2 Dy

158,93

2 97 8 (Rn)5f 96d07s2 18 32 25

9 Berkélium 2 249,08

2 98 8 (Rn 18 32 27

8 Ca 2 25

UAA 5 Les deux atomes oxygène sont liés par deux covalences parfaites formant une double liaison.

Cette covalence est dite polarisée parce que la molécule présente deux pôles : l’un positif, l’autre négatif.

•  Ainsi, 2 atomes N mettent chacun en commun 3 électrons célibataires pour former la molécule N2 :

Alors que, pour se lier, les atomes H et Cl ne mettent en commun qu’un électron célibataire, d’autres atomes mettent en commun plusieurs électrons célibataires.

→

Les deux atomes azote sont liés par trois covalences parfaites formant une triple liaison. Ce type de covalence parfaite se rencontre aussi dans les molécules constituées d’atomes différents mais de même électronégativité. C’est le cas, par exemple, dans la phosphine PH3 et le sulfure de carbone CS2. H

→

•  Ainsi, dans la molécule H2O, l’atome O (χ = 3,5) met en commun chacun de ses e– célibataires avec l’e– célibataire de chacun des deux atomes H (χ = 2,1) : H

H →

→

La covalence polarisée La covalence polarisée résulte de la mise en commun de deux électrons célibataires entre deux atomes d’électronégativité différente. •  Ainsi, dans la molécule HCl, les atomes H et Cl mettent chacun en commun un électron célibataire et forment une paire liante. H

→

Ceci a pour conséquence de faire apparaître : –  sur le chlore (plus électronégatif que l’hydrogène) une charge partielle négative inférieure à la charge entière de l’électron et notée δ– ; –  sur l’hydrogène (moins électronégatif que le chlore) une charge partielle positive notée δ+ : +

–

•  Ainsi, dans la molécule CO2, les deux atomes O (χ = 3,5) mettent chacun en commun 2 e– célibataires avec les 4 e– célibataires de l’atome C (χ = 2,5) : O

→

Les deux doubles liaisons sont polarisées vers les atomes oxygène : chaque atome O acquiert ainsi une charge partielle négative 2 δ– et l’atome C, une charge partielle positive 4 δ+. 2

–

→ O

–

L’atome Cl (χ = 3,0) étant plus électronégatif que l’atome H (χ = 2,1), attire davantage à lui les électrons de liaision que l’atome H.

Les deux liaisons covalentes sont polarisées vers l’atome oxygène plus électronégatif : l’atome O acquiert ainsi une charge partielle négative notée 2 δ– et chaque atome H, une charge partielle positive notée δ+ : 1

–

Le dioxyde de carbone, ou gaz carbonique, est produit lors de toute combustion de substances carbonées et lors de la respiration. Ce gaz est indispensable pour la photosynthèse et n’est pas toxique par luimême. Cependant, son accumulation dans l’atmosphère s’ajoutant à d’autres gaz, tel le méthane CH4, produit notamment par biofermentation, contribue à l’effet de serre.

La flèche au milieu de la barre de liaison indique vers lequel des deux atomes les e– de liaison sont attirés préférentiellement.

Tu as pu remarquer que, dans chacun des exemples, la somme algébrique des charges partielles, portées par les atomes, est égale à 0 : les molécules sont électriquement neutres.

Appropriation

L iais on s cov ale n te s par f aite e t polar is é e

Chapitre 3

Écriture, selon Lewis, des formules de structure de quelques molécules

Toutes ces formules de Lewis ont été écrites en appliquant la méthode suivante : 1)  écrire les représentations de Lewis de chacun des atomes constituant la molécule ; 2)  former des liaisons covalentes entre les atomes par mise en commun d’électrons célibataires et vérifier la présence d’un octet d’électrons autour de chaque atome (ou d’un duet autour de chaque atome H) ; 3)  écrire la formule de Lewis de la molécule.

Les propriétés d’un corps dépendent non seulement de la nature des atomes constitutifs des molécules ou des ions mais aussi de leur agencement. L’agencement des atomes dans une molécule ou dans un ion se visualise par une formule de structure appelée « formule de Lewis ». Tu en as déjà écrit certaines dans le paragraphe précédent. Ainsi, les formules de Lewis de Cl2, H2O et CO2 sont :

Cl , H

H et

Nous allons appliquer cette méthode d’écriture de formules de Lewis à quelques autres molécules binaires et ternaires.

Formule de Lewis de molécules binaires Suivons la méthode décrite pour écrire les formules de Lewis de S2, CH4 et NH3. 1)  Écriture des représentations de Lewis de chacun des atomes constituant la molécule 2  S

N et 3 H

et 4 H

2)  Formation de liaisons covalentes et vérification de la présence des octets (ou duets) H H S

H H 3) Écriture de la formule de Lewis H H S

H H

H Formule de Lewis de molécules ternaires Suivons la même méthode pour écrire les formules de Lewis de HClO, HNO2 et H2CO3. 1)  Écriture des représentations de Lewis de chacun des atomes constituant la molécule H

2)  Formation de liaisons covalentes et vérification de la présence des octets (ou duets) a)  Former autant de groupements OH qu’il y a de H dans la formule moléculaire H

UAA 5 b)  Mettre en commun l’e– célibataire de chaque groupement OH avec un e– célibataire de l’atome caractéristique de la molécule H

N H

c)  Mettre en commun les e– célibataires restant sur l’atome caractéristique avec les deux e– célibataires de l’oxygène non encore liés

N H

C O

3) Écriture de la formule de Lewis H H

N H

C O

Limite du modèle de l’octet Les chimistes ont pu isoler des molécules stables telles que PCl5 et SF6 dont la formule de Lewis peut s’écrire :

Cl P Cl

F S

F F

Tu remarques que, dans ces molécules, le phosphore P est entouré de 10 e– et le soufre S de 12 e–. Dans ces molécules, P et S sont entourés de plus de 8 e– (octet). Tu étudieras peut-être, plus tard, d’autres modèles qui rendent compte de ces « anomalies » par rapport à la règle de l’octet.

Appropriation

Activités d’apprentissage L iais on s cov ale n te s par f aite e t polar is é e

Chapitre 3 1

Réaliser le test d’association suivant : a) liaison ionique b) liaison covalente

1. partage de paire(s) d’e– 2. transfert d’e– 3. liaison entre ions 4. électrovalence 5. covalence 6. liaison entre atomes

Écrire la formule de Lewis des molécules suivantes : HI, H2Se, PCl3, C2H6, SiCl4, H2Si03.

Indiquer le sens de la polarisation et les charges partielles dans les molécules suivantes : Cl Cl

tétrachlorure de carbone

méthane

Cl H H

C H H

ammoniac

N H

dibrome

sulfure de carbone

Écrire la formule de Lewis de : a)  H2S : le sulfure d’hydrogène, gaz qui a une odeur d’œuf pourri ; b)  Cl2 : le dichlore, qui sert parfois à désinfecter l’eau des piscines ; c)  SiO2 : le dioxyde de silicium ou silice, constituant cristallin de nombreuses roches telles que le granit, le sable… Indiquer, s’il y a lieu, les flèches sur les liaisons et les charges partielles sur les atomes.

Écrire la formule de Lewis de : a)  BF3 : le fluorure de bore, servant de catalyseur ; b)  CO : le monoxyde de carbone, gaz très toxique. Dans le cadre du modèle de Lewis, quelle « anomalie » constates-tu à propos de ces deux molécules ?

UAA 5 6

Parmi les molécules suivantes : Ne2, Cl2O, CF4, NO, I2 et PCl5, lesquelles ne peuvent exister dans le cadre du modèle de Lewis (modèle de l’octet) ? Pour quelle(s) raison(s) ?

E n utilisant le tableau ci-dessous, préciser si les énoncés suivants sont vrais ou faux : a)  la molécule GX présente une liaison covalente ; b)  la molécule AX présente une liaison ionique ; c)  la molécule LX4 présente une liaison ionique ; d)  la molécule Z2 présente une liaison covalente ; e)  la molécule EZ présente une liaison covalente. VIIIa

Ia IIa

IIIa IVa Va VIa VIIa

D E

X Z

près avoir lu « Pour en savoir plus ... Le carbone sous toutes ses A formes », répondre aux questions suivantes : a)  Les énoncés suivants sont-ils vrais ou faux ? Justifier ta réponse. –  Sous sa forme graphite, le carbone est un bon conducteur d’électricité. –  Sous sa forme fullerène, le carbone est moins dur que sous sa forme graphite. –  Sous sa forme diamant, le carbone est d’un coût très élevé. b)  Alors que le graphite et le diamant ne contiennent tous deux que du carbone, le diamant est très dur, tandis que le graphite est un solide friable. Expliquer cette différence de dureté en fonction des structures spatiales de ces deux corps.

Activités d’apprentissage

Pour en savoir plus... Chapitre 3

Le carbone sous toutes ses formes Les dispositions différentes que peuvent prendre les atomes constituant les solides atomiques covalents président à la formation de variétés différentes appelées variétés allotropiques (de allos, autre, et tropos, genre, manière, direction…).

ment, confère à l’ensemble une excellente rigidité et une grande dureté.

•  sa couleur : les incolores sont rares et des normes internationales codifient les nuances ;

Le diamant est le corps le plus dur connu actuellement : rien ne peut le rayer. Il est aussi un excellent conducteur de la chaleur.

•  sa pureté, évaluée internationalement, dépend de la nature, du nombre, de la dimension et de la position des inclusions naturelles dans le cristal.

Les variétés allotropiques des solides atomiques covalents constitués uniquement d’atomes carbone sont le diamant, le graphite, les fullerènes et le graphène.

Le diamant Le schéma ci-après illustre le réseau d’atomes carbone dans le diamant : chaque point représente un atome carbone. Cette configuration, ressemblant à l’armature en acier d’un bâti42

La qualité d’un diamant s’apprécie suivant 4 critères : •  sa masse, mesurée en carats (un carat métrique vaut 0,2 g) ; •  sa taille : en brillant, en poire, en carré, ... ;

Les diamants de bonne qualité portés en bague, en pendentifs… suscitent la convoitise des dames et… des messieurs. Ceux de qualité moindre sont utilisés industriellement comme abrasifs : leur dureté permet de couper ou de polir tous les autres corps (verre, marbre, ...), leur conductibilité thermique facilite l’élimination (ou la diffusion) de la chaleur interne résultant du frottement lors du découpage ou du polissage.

UAA 5 additif à certains aciers et au caoutchouc synthétique des pneumatiques, améliorant ainsi la résistance à l’usure. Les mines de crayons sont constituées de graphite. Lors de l’utilisation, ils laissent, par frottement sur le papier, une mince couche de graphite. Il est également utilisé comme pigment dans les encres d’imprimerie et les peintures. Le graphite a aussi la propriété d’être conducteur du courant électrique.

Le graphite consiste en un empilement de feuillets plats, constitués d’atomes carbone disposés en hexagones.

Cette roche forme des « tuyaux » volcaniques par lesquels les diamants remontent à la surface après s’être formés, sous l’effet de pressions énormes, dans les profondeurs de la Terre.

Sa configuration fait que, contrairement au diamant, le graphite est friable car les liaisons entre feuillets sont faibles.

Depuis 1953, des diamants synthétiques industriels sont produits par cristallisation du carbone à des températures et des pressions très élevées (1 500 °C et 58 000 atm).

Le graphite

Dans un même plan, chaque atome C est lié, par covalence, à trois atomes carbone voisins.

La structure de chaque feuillet ressemble à un grillage en fil de fer.

Sa friabilité permet de l’utiliser, sous l’appelation noir de carbone (constitué, en fait, de très petits cristaux de graphite), comme lubrifiant et comme

La conductibilité électrique du graphite est exploitée dans la fabrication des électrodes dans les piles et pour les balais des dynamos et des moteurs électriques. Le graphite se retrouve à l’état naturel dans les gisements de charbon dans lesquels il a subi une lente métamorphose. On le fabrique aussi industriellement à partir de barres de charbon chauffées en l’absence d’air dans des fours électriques.

Pour en savoir plus…

Les diamants naturels se trouvent en de rares endroits, dans le sol, encastrés dans une roche molle appelée kimberlite (rappelant le nom de Kimberley, ville d’Afrique du Sud connue pour sa mine de diamant).

Cette propriété est due au fait que, autour de chaque atome C, subsiste un électron libre ; l’ensemble des électrons libres peut se déplacer facilement au sein des feuillets.

L iais on s cov ale n te s par f aite e t polar is é e

Chapitre 3

Les fullerènes Jusqu’en 1985, on ne connaissait que deux formes allotropiques du carbone : le diamant et le graphite. En 1985, des chercheurs provoquant l’impact d’un rayon laser sur le graphite, dans une atmosphère inerte, observèrent la formation de petites boules de carbone constituées chacune de 60 atomes carbone disposés aux sommets de pentagones et d’hexagones formant une cage ressemblant à un ballon de football. tubes appelés « nanotubes ».

Cette trouvaille, C60 , fut baptisée « fullerène ». Cette appelation vient du nom de B. Fuller, architecte précurseur, puisqu’il réalisa en 1967, pour l’exposition universelle de Montréal, un dôme géodésique ayant la structure du C60. Des laboratoires, dans le monde entier, se mirent à rechercher des méthodes de synthèse du fullerène C60. Leurs recherches furent couronnées de succès et bien au-delà puisqu’elles mirent en évidence qu’à côté du C60, s’étaient synthétisées d’autres « cages » de carbone C28, C50, C70… C240, ayant parfois la forme d’un ballon de rugby ou d’un dirigeable. Les schémas ci-dessous illustrent la structure spatiale du fullerène C60 et du fullerène C70. Dans ces structures, chaque atome carbone est lié par trois covalences, aux carbones voisins.

C60

C70

Ces molécules-cages ont d’incroyables propriétés : elles ont une remarquable stabilité et une grande dureté. Elles sont également bonnes conductrices de l’électricité, peuvent abriter d’autres molécules et se greffer sur d’autres. Ces propriétés offrent de nouvelles perspectives dans des domaines variés : •  la pharmacologie : elles pourraient véhiculer des médicaments, des hormones, des anti- corps, vers des organes distants ; la réalisation de matériaux •  ultra-résistants ou supraconducteurs ;

Ces molécules aux propriétés fascinantes, différentes de celles de tous les autres matériaux, ouvrent une nouvelle fenêtre sur le monde de la chimie.

Le graphène3 Le graphène est un matériau constitué d’une seule couche d’atomes carbone et donc d’épaisseur d’un atome de carbone. Il fut découvert en 2004 par les russes André Geim et Konstantin Novoselov qui reçurent le prix Nobel de Physique en 2010. En plus d’être transparent, il est à la fois souple et extrêmement solide : deux cents fois plus solide que l’acier à masse égale. Il est aussi imperméable à tous les gaz et très bon conducteur électrique.

•  …

Ce matériau intéresse des entreprises qui investissent massivement dans sa production et dans la recherche de nouvelles propriétés qui pourraient résoudre un certain nombre de nos problèmes.

Stimulés par la découverte de fullerènes, les chimistes sont parvenus à synthétiser de nouveaux arrangements d’atomes de carbone, sous la forme de

– la firme IBM affirme avoir créé un transistor à base de graphène qui pourrait être utilisé dans nos ordinateurs ;

•  la synthèse de nouveaux lubrifiants et de carburants pour fusées ;

Ainsi :

3. Inspiré de l’article : Graphène : le champion toutes catégories, Revue Athéna 308, février 2015. Texte de Thibault Grandjean.

UAA 5 – l’Institut Nanosciences et Cryogénie de Grenoble et l’Institut des Matériaux de Nantes viennent de mettre au point des batteries lithium-ion qui comprennent des électrodes en graphène : leur performance est multipliée par 10 et le nombre de cycles de charge/ décharge des batteries est considérablement augmenté. Ceci intéresse au plus haut point les fabricants de voitures électriques. Ainsi, la firme Tesla travaille sur une voiture possédant des batteries lithium-ion dopées au graphène qui auraient une autonomie de 800 km ; et permettrait de fabriquer des écrans pliables ou des vêtements intelligents capables de contenir un ordinateur miniature.

Ces oxydes sont rares, chers, toxiques et fragiles. Le graphène transparent et bon conducteur les remplacerait dans l’avenir

– la production de graphène en grande quantité, de bonne qualité et de très grande pureté n’est pas encore pour demain ;

Mais la route est encore longue :

– les dangers potentiels du graphène sur notre santé doivent encore être étudiés. Il n’en reste pas moins que le graphène pourrait révolutioner dans le futur nos modes de vie, dans de multiples domaines.

Pour en savoir plus…

– Nokia et Samsung espèrent que le graphène remplacera avantageusement l’oxyde d’indium-étain présent dans les cellules photovoltaïques et les écrans de smartphones.

Les équilibres chimiques Au cours de cette unité d’acquis d’apprentissage, tu développeras la compétence suivante : • prévoir le sens d’évolution d’une réaction réversible.

5 année UAA 6 e

Chapitre 1 L’état d’équilibre chimique

Chapitre 2 Déplacement de l’équilibre chimique Principe de Le Chatelier

Chapitre 2

Déplacement de l’équilibre chimique. Principe de Le Chatelier Dans l’industrie et au laboratoire, les réactions sont souvent incomplètes et aboutissent à un état d’équilibre dynamique. Le principe de Le Chatelier regroupe les facteurs susceptibles de déplacer l’état d’équilibre de ces réactions et permet d’expliquer l’évolution d’une situation concrète basée sur un équilibre chimique.

Ressources et processus à mobiliser Déplacemen t de l’é qu ilibr e ch im iqu e .P r in cipe de Le C h ate lie r

Chapitre 2

À la fin de ce chapitre, tu seras capable de… SAVOIRS énoncer le principe de Le Chatelier ; citer les facteurs susceptibles de modifier l’état d’équilibre dynamique d’un système ; citer les règles pratiques permettant de prévoir le sens du déplacement de l’état d’équilibre dynamique d’un système.

SAVOIR-FAIRE expliquer, à partir de l’équation d’une réaction et de son caractère exothermique ou endothermique : – l’influence de la variation d’une concentration, – l’influence de la variation de la température, – l’influence de la variation de la pression, sur un système à l’état d’équilibre dynamique ; expliquer les formulations suivantes : « déplacement d’équilibre vers la droite » et « déplacement d’équilibre vers la gauche » ; interpréter, à l’aide du principe de Le Chatelier, un déplacement d’équilibre observé ; prévoir le sens du déplacement d’un état d’équilibre dynamique connaissant la ou les modifications imposées.

PROCESSUS induire la loi de Le Chatelier à partir d’exemples (C) ; prévoir le sens spontané d’évolution suite à une perturbation d’une réaction initialement en équilibre (A) ; expliquer l’évolution d’une situation concrète sur base du principe de Le Chatelier (T).

UAA 6

Mise en situation Dans l’industrie, les ingénieurs chimistes mettent en œuvre des matières premières pour fabriquer des produits courants tels que l’ammoniac, l’acide nitrique, l’acide sulfurique… Malheureusement, beaucoup de réactions réalisées dans l’industrie sont incomplètes et aboutissent à un état d’équilibre dynamique avec, dès lors, des rendements insatisfaisants en produits. Dans la vie de tous les jours, beaucoup de réactions aboutissent aussi à un état d’équilibre. Ainsi, les phénomènes liés au fonctionnement de l’organisme humain, tels l’oxygénation des cellules, la respiration pulmonaire, le fonctionnement des reins… mettent en jeu des réactions incomplètes. Nous allons découvrir dans ce chapitre les facteurs qui influencent l’équilibre dynamique d’un système et permettent d’améliorer le rendement d’une réaction dans l’industrie ou le bon fonctionnement de l’organisme humain. Nous mettrons ces différents facteurs en évidence en réalisant les expériences suivantes.

Déterminer les facteurs susceptibles d’améliorer le rendement en produit, dans le cas d’une réaction incomplète. Les expériences proposées permettent de découvrir les facteurs susceptibles d’améliorer le rendement en ions FeSCN2+ lors de la réaction entre les ions Fe3+ et SCN–.

Pour ce faire : •  préparer 50 mL d’une solution de nitrate de fer(III) Fe(NO3)3 0,1 mol.L–1 et noter la coloration de la solution ;

•  mélanger, dans un erlenmeyer, 2 mL de la solution de Fe(NO3)3 et 2 mL de la solution de NH4SCN ; •  ajouter 100 mL d’eau ; •  noter la coloration de cette solution (solution initiale) ; •  prélever 4 fois 10 mL de la solution initiale et les répartir dans 4 tubes à essais numérotés de 1 à 4 ; •  conserver le tube n° 1 comme témoin de coloration ; •  ajouter, dans le tube n° 2, 1 mL de la solution de nitrate de fer (III), agiter et noter la coloration obtenue ; •  ajouter, dans le tube n° 3, 1 mL de la solution de thiocyanate d’ammonium, agiter et noter la coloration obtenue ; •  préparer un bain réfrigérant contenant un mélange de 30 g de chlorure de sodium NaCl et de 100 g de glace pilée ; •  plonger le tube n° 4 dans le mélange réfrigérant et noter la coloration obtenue avant congélation de la solution.

Mise en situation

•  préparer 50 mL d’une solution de thiocyanate d’ammonium NH4SCN 0,1 mol.L–1 et noter la coloration de la solution ;

Appropriation

Dans la solution initiale, un système à l’état d’équilibre dynamique est présent : Fe3+ + SCN–(aq)  FeSCN2+ (aq) (aq) jaune incolore

rouge

Observation Au départ, les trois tubes à essais no 1, 2 et 3 contiennent la solution initiale. Suite à l’addition, à cette solution, d’une solution contenant des ions Fe3+ (tube no 2) ou des ions SCN– (tube no 3), la coloration de la solution initiale devient plus rouge (photo suivante). n° 2 n° 1 n° 3

que c’est l’augmentation de la concentration en ions Fe3+ qui est responsable de cette modification : →

CFe3+

⎯→

Fe3+ + SCN–(aq)  FeSCN2+ (aq) (aq) Dans le cas de l’ajout d’ions SCN–, l’écriture CSCN– au-dessus de la grande flèche montre que c’est l’augmentation de la concentration en ions SCN– qui est responsable de cette modification : CSCN–

→

Influence de la variation de la concentration sur un système à l’état d’équilibre

→

Déplacemen t de l’é qu ilibr e ch im iqu e .P r in cipe de Le C h ate lie r

Chapitre 2

⎯→

2+ Fe3+ + SCN–(aq)  FeSCN (aq) (aq)

On dit alors, dans le langage du chimiste, que la réaction directe est favorisée ou que l’équilibre est déplacé vers la droite. L’addition d’un réactif dans un système à l’état d’équilibre dynamique provoque une consommation du réactif ajouté.

Influence de la variation de température sur un système à l’état d’équilibre Interprétation Suite à l’ajout d’ions Fe3+ ou d’ions SCN–, la concentration en ions Fe3+ ou en ions SCN– dans la solution a augmenté. Puisque l’intensité de la coloration rouge augmente dans les deux cas, la solution contient, dans les tubes no 2 et 3, davantage d’ions FeSCN2+. Conclusion L’augmentation de la concentration en ions Fe3+ ou en ions SCN– dans le milieu réactionnel initialement à l’état d’équilibre 1 a pour effet de modifier cet état d’équilibre.

Dans la solution initiale, un système à l’état d’équilibre dynamique est présent : Fe3+ + SCN–(aq)  FeSCN2+ + énergie (aq) (aq) La réaction directe est exothermique. Observation Lors du refroidissement de la solution initiale contenue dans le tube no 4, la coloration de la solution devient progressivement plus rouge (tube no 4).

Lorsque l’addition d’ions Fe3+ ou d’ions SCN– est terminée, nous sommes en présence d’un nouvel état d’équilibre 2, caractérisé par une concentration plus grande en ions FeSCN2+ : État d’équilibre 1

État d’équilibre 2

Pour signifier que, dans ce nouvel état d’équilibre 2, il y a plus de produit formé, on écrira une grande flèche indiquant le sens de la modification au-dessus des deux flèches qui symbolisent l’état d’équilibre du système.

→

Dans le cas de l’ajout d’ions Fe3+, l’écriture CFe3+ au-dessus de la grande flèche montre 86

Interprétation L’augmentation progressive de la coloration rouge indique qu’il y a davantage d’ions FeSCN2+ présents qu’au départ.

UAA 6 Conclusion La diminution de la température du milieu réactionnel initialement à l’état d’équilibre 1 a pour effet de modifier cet état d’équilibre. Après la diminution de température, nous sommes en présence d’un nouvel état d’équilibre 2, caractérisé par une concentration plus grande en ions FeSCN2+. État d’équilibre 1

État d’équilibre 2

→

au-dessus de la grande flèche L’écriture T montre que le déplacement d’équilibre est dû à une diminution de température : →

⎯→

3+ (aq)

+ SCN

 FeSCN

– (aq)

2+ (aq)

La réaction directe est favorisée. L’équilibre chimique est déplacé vers la droite. La diminution de température d’un système à l’état d’équilibre favorise la réaction exothermique.

Influence de la variation de la pression sur un système à l’état d’équilibre

est sans effet car les solutions aqueuses sont pratiquement incompressibles. C’est pour cette raison que l’influence de la variation de pression est étudiée sur un autre système dans lequel un des constituants est gazeux. Soit le système présent dans une bouteille fermée d’eau pétillante : CO2(aq)  CO2(g) Ce système, considéré comme isolé, est dans un état d’équilibre dynamique : il contient du CO2(aq) dissous dans la solution et du CO2(g) au-dessus de la solution. Initialement, dans l’état d’équilibre 1, la pression du CO2(g) à l’intérieur de la bouteille est nettement supérieure à la pression atmosphérique. Voyons comment la variation de pression va influencer l’état d’équilibre 1 présent dans la bouteille.

CO2(g) CO2(aq)

Un autre facteur qui pourrait influencer l’état d’équilibre d’un système est la pression exercée sur ce système. Mais une variation de pression sur le système étudié :

Déterminer comment la variation de la pression influence un système à l’état d’équilibre en observant le comportement du contenu d’une bouteille d’eau pétillante après ouverture. Pour ce faire : •  enlever le bouchon de la bouteille et observer durant un certain laps de temps, jusqu’à ce qu’il ne se passe plus rien ; •  agiter encore et observer.

Appropriation

Fe3+ + SCN–(aq)  FeSCN2+ (aq) (aq)

Déplacemen t de l’é qu ilibr e ch im iqu e .P r in cipe de Le C h ate lie r

Chapitre 2

Observation Des bulles de gaz s’échappent de la solution lorsqu’on enlève le bouchon de la bouteille. Après un certain temps, il n’y a plus de dégagement gazeux. Après agitation, de nouvelles bulles de gaz apparaissent.

Les observations réalisées lors des expériences précédentes ont permis de découvrir que les facteurs susceptibles de modifier l’état d’équilibre d’un système sont : – la concentration, – la température, – la pression.

bulles de CO2(g)

Interprétation En ouvrant la bouteille, la pression du CO2(g) diminue brusquement au-dessus de la solution jusqu’à atteindre une pression égale à la pression atmosphérique. Suite à cette diminution de pression, du CO2(aq) quitte la solution, sous forme de bulles pour devenir CO2(g). Lorsque le dégagement gazeux a cessé, tout le CO2(aq) semble s’être échappé de la solution. Cependant, une agitation de la bouteille provoque un nouveau dégagement gazeux : il restait donc encore du CO2(aq) dans la solution. Conclusion Après avoir ouvert la bouteille, la diminution de la pression dans le milieu réactionnel initialement à l’état d’équilibre 1 a pour effet de modifier cet équilibre. Lorsque la diminution de pression est terminée, nous sommes en présence d’un nouvel état d’équilibre 2, caractérisé par une concentration plus petite en CO2(aq). État d’équilibre 1

État d’équilibre 2

→

au-dessus de la grande flèche L’écriture p montre que le déplacement d’équilibre est dû à la diminution de pression : p

→

⎯→ CO2(aq)  CO2(g)

La réaction directe est favorisée. L’équilibre chimique est déplacé vers la droite. La diminution de pression dans un système à l’état d’équilibre dynamique favorise une production de gaz. 88

Le principe de Le Chatelier1

À partir des nombreuses autres observations réalisées sur les modifications apportées aux systèmes à l’état d’équilibre, Le Chatelier résuma, en 1884, ses observations en un principe2. Ce principe permet de prévoir le sens du déplacement de l’équilibre d’un système à l’état d’équilibre dynamique en fonction des variations de concentration, de température ou de pression. Si une modification (concentration, température, pression) est imposée à un système chimique à l’état d’équilibre, il s’ensuit la réaction chimique qui s’oppose en partie à la modification imposée ; le système évolue vers un nouvel état d’équilibre. Lors des différentes expériences réalisées, il y a trois temps successifs. 1 Initialement, le système est à l’état d’équilibre 1 2 Une modification de concentration, de température ou de pression, venant de l’extérieur du système, est imposée 3 La réponse du système favorise la réaction directe ou inverse qui s’oppose en partie à la modification imposée pour atteindre un nouvel état d’équilibre 2 : il y a modification du rendement en produit(s)

1. Henry Le Chatelier (1850-1936), chimiste français. 2. Un principe est une affirmation qui ne peut être démontrée mais qui est admise parce que toujours vérifiée dans ses conséquences.

UAA 6 L’état fiévreux (rhume, grippe…) s’accompagne souvent de fatigue, d’essoufflement… Ces phénomènes trouvent, en partie, leur explication dans la modification de la fixation du dioxygène, présent dans l’air respiré, par l’hémoglobine du sang. Système à l’état initial La fixation du dioxygène par l’hémoglobine du sang est une réaction légèrement exothermique qui peut être traduite par l’équation simplifiée suivante : Hb + O2(g)  Hb(O2) + énergie (1) hémoglobine

oxyhémoglobine

Lorsque de la fièvre se manifeste chez un malade, il y a augmentation de la température du corps. Le système correspondant à l’équilibre (1) reçoit de l’énergie et s’en trouve perturbé. Évolution du système En vertu du principe de Le Chatelier, un apport d’énergie venant de l’extérieur provoque une réaction de ce système qui va s’opposer en partie à cette modification : le système va favoriser la réaction qui provoque une absorption d’énergie. C’est donc la réaction inverse, endothermique, qui est favorisée et l’équilibre est déplacé vers la gauche. Pour visualiser l’évolution du système, la double flèche de l’équation est surmontée d’une flèche vers la gauche qui indique que cette évolution est due à une augmentation de la température T : T

←⎯ Hb + O2(g)  Hb(O2) + énergie Cela explique que la quantité de Hb(O2) dans le sang diminue et que, donc, moins de dioxygène sera amené aux cellules, en provoquant un état de fatigue. Réaction de l’organisme L’organisme tend à compenser le déficit en dioxygène qui parvient aux cellules par une respiration plus rapide. En effet, cela favorise la production de Hb(O2) par l’augmentation de la quantité de O2 qui arrive aux poumons. L’équation suivante représente ce phénomène : O2

⎯→ Hb + O2(g)  Hb(O2) + énergie

globule rouge

Appropriation

Influence de la fièvre sur l’oxygénation du sang

Modification imposée au système

→

Une application du principe de Le Chatelier

L’oxyhémoglobine permet le transport du dioxygène vers les cellules du corps.

→

Règles pratiques pour chacune des modifications de facteurs influençant l’équilibre. 1) Modification de la concentration : – un composé ajouté est en partie consommé ; – inversement, un composé enlevé est en partie reformé. 2) Modification de la température : – une augmentation de température favorise la réaction endothermique ; – inversement, une diminution de température favorise la réaction exothermique. 3) Modification de la pression : – une augmentation de pression favorise la réaction qui diminue la quantité de matière gazeuse ; – une diminution de pression favorise la réaction qui augmente la quantité de matière gazeuse.

Activités d’apprentissage Déplacemen t de l’é qu ilibr e ch im iqu e .P r in cipe de Le C h ate lie r

Chapitre 1 1

ne augmentation de concentration en réactif sur un système à l’état U d’équilibre a pour effet : a) d’augmenter la quantité de produit ; b) de diminuer la quantité de produit ; c) pas d’influence sur la quantité de produit. Choisir la proposition correcte et justifier.

ne augmentation de température lors d’une réaction endothermique U aboutissant à un état d’équilibre a pour effet de : a) déplacer l’équilibre vers les produits ; b) déplacer l’équilibre vers les réactifs ; c) favoriser la réaction inverse ; d) favoriser la réaction directe. Choisir la(les) proposition(s) correcte(s) et justifier.

éterminer quel(s) système(s) à l’état d’équilibre n’est (ne sont) pas D affecté(s) par une augmentation de pression : a) FeO(s) + CO(g)  Fe(s) + CO2(g) b) 2 H2O(g)  2 H2(g) + O2(g) c) N2(g) + O2(g)  2 NO(g)

Soit le système suivant à l’état d’équilibre : 2 SO2(g) + O2(g)  2 SO3(g) + énergie Déterminer la réaction favorisée et l’évolution de la concentration en produit lors de chaque modification imposée individuellement : a) ajout de dioxygène ; b) retrait de trioxyde de soufre ; c) ajout de dioxyde de soufre ; d) diminution de la température ; e) augmentation de la pression.

UAA 6 5

L e tableau suivant présente quelques systèmes à l’état d’équilibre et les modifications imposées à ces systèmes. Préciser la réaction qui sera favorisée et prévoir l’évolution de la concentration en produit(s) lors de chaque modification imposée individuellement. Justifier les réponses. Systèmes

Modifications imposées par l’expérimentateur

a) H2(g) + I2(g)  2 HI(g) + énergie

•  Élimination de HI au fur et à mesure de sa formation. • Augmentation de la température. • Augmentation de la pression.

b) CaCO3(s) + énergie  CaO(s) + CO2(g) •  Élimination du dioxyde de carbone. •  Augmentation de la température. c) N2O4(g) + énergie  2 NO2(g)

• Diminution de la température. • Augmentation de la pression.

d) O2(aq) + énergie  O2(g)

• Ajout de dioxygène gazeux. • Diminution de la température. • Diminution de la pression.

L ’eau d’un aquarium, maintenue à température constante et en contact avec l’atmosphère, échange du dioxygène avec l’air selon la réaction dont l’équation est : O2(g)  O2(aq) + énergie Proposer une technique pour assurer une meilleure oxygénation de l’eau pour les poissons, tout en maintenant la température constante.

L e pot catalytique sert à éliminer certains rejets polluants ou toxiques qui sortent du moteur des voitures. Une des réactions ayant lieu dans le pot catalytique est destinée à éliminer le monoxyde de carbone, gaz toxique voire mortel. L’équation de cette réaction est : 2 CO(g) + O2(g)  2 CO2(g) + énergie Déterminer comment agir sur l’équilibre pour éliminer un maximum de CO(g).

Activités d’apprentissage

e) H2O(g) + C(s) + énergie  H2(g) + CO(g) • Ajout de vapeur d’eau. • Diminution de la pression.

Déplacemen t de l’é qu ilibr e ch im iqu e .P r in cipe de Le C h ate lie r

Chapitre 2 8

L’ammoniac, molécule de base de la chimie, a pour formule NH3. C’est un gaz incolore, dégageant une forte odeur désagréable. En solution aqueuse, sous forme d’ammoniaque, c’est un excellent dégraissant pour nettoyer, par exemple, les vitres.

Il est utilisé pour fabriquer du nitrate d’ammonium NH4NO3, un engrais azoté produit notamment en Belgique par la société Yara, située près de Mons. L’équation qui traduit la réaction de synthèse de l’ammoniac est : N2(g) + 3 H2(g)  2 NH3(g) + énergie Préciser dans quelles conditions (concentration, température, pression) envisagées séparément, une quantité maximum d’ammoniac sera obtenue. Justifier les réponses.

Unité de production chez Yara, Tertre

UAA 6 9

L e monoxyde de carbone CO est un gaz toxique, mais il est malheureusement inodore et invisible. Il arrive que des personnes soient intoxiquées par du CO, par exemple dans des endroits mal ventilés où fonctionne un chauffe-eau au gaz ou un poêle au charbon ou au mazout avec un mauvais tirage.

Les symptômes vont du mal de tête aux nausées, à l’étourdissement et même la perte de conscience, avec parfois des conséquences dramatiques. On peut considérer que trois réactions entrent en ligne de compte dans ce phénomène : – au niveau des poumons, le passage du dioxygène gazeux de l’air au dioxygène dissous dans le sang : O2(g)  O2(aq) (1) – au niveau des poumons, le passage du monoxyde de carbone gazeux de l’air au monoxyde de carbone dissous dans le sang : CO(g)  CO(aq) (2)

Hb(O2) + CO(aq)  Hb(CO) + O2(aq) KC = 210 (3) a) Justifier le fait que le CO se fixe sur l’hémoglobine préférentiellement à O2 ; b) Après avoir lu l’information figurant dans l’encadré ci-après, expliquer pourquoi une personne intoxiquée au CO reçoit du dioxygène via un masque ou est placée dans un caisson hyperbare. Le caisson hyperbare (du grec hyper, « beaucoup » et baros, « lourd »), également appelé caisson de recompression ou chambre hyperbare, est une installation étanche au sein de laquelle un ou plusieurs patients peuvent être exposés à une pression supérieure à la pression atmosphérique, ce qui permet principalement d’accroître l’oxygénation des tissus. Lors du traitement hyperbare, un gaz comme l’air médical ou l’oxygène médical est administré.

Activités d’apprentissage

– au niveau du sang, l’équilibre entre l’hémoglobine ayant fixé le dioxygène et l’hémoglobine ayant fixé le monoxyde de carbone :

Pour en savoir plus... Chapitre 2

Hémoglobine et dioxygène, un couple parfait L’hémoglobine est une protéine qui est présente dans les globules rouges et dont la fonction est le transport du dioxygène et du gaz carbonique dans l’organisme humain et chez d’autres organismes vivants. On la symbolise par « Hb ». Les deux gaz, le dioxygène O2 et le gaz carbonique CO2, sont fixés ou libérés par l’hémoglobine lors des échanges gazeux ayant lieu au niveau des poumons et des organes cibles (muscles, foie…). Dans les poumons, le dioxygène O2 est fixé par l’hémoglobine pour former de l’oxyhémoglobine, selon la réaction dont l’équation simplifiée est : Hb + O2(g)  HbO2 + énergie

Hémoglobine

Oxyhémoglobine

L’oxyhémoglobine est véhiculée dans le sang jusqu’aux cellules où O2 est libéré et pénètre dans les cellules. Le glucose, apporté par l’alimentation, et le dioxygène O2 réagissent alors ensemble en libérant l’énergie qui va permettre à la cellule de fonctionner. Cette réaction peut être résumée par l’équation simplifiée suivante : C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + énergie 94

Le gaz carbonique CO2, produit lors de cette réaction, est ramené par le système vasculaire aux poumons, où il est éliminé lors de la ventilation pulmonaire.

Alvéoles des poumons

Hémoglobine, sport et dopage

Comment le dioxygène est-il amené en quantité suffisante dans les cellules ?

Capillaires alvéolaires du poumon

Les sportifs ont besoin d’un apport d’énergie important pour réaliser les efforts consentis lors des compétitions. Cette énergie est disponible s’il y a, notamment, du glucose et du dioxygène en suffisance.

CO2

Cœur Capillaires des tissus O 2

CO2 O2 Cellules des tissus

UAA 6 Une première possibilité est d’augmenter la quantité de dioxygène dans le sang par une ventilation pulmonaire accrue : CO

→

2 ⎯→

Hb + O2(g)  HbO2 Cette pratique permet une amélioration des performances mais a une efficacité limitée.

Il existe d’autres méthodes pour augmenter la quantité d’hémoglobine présente dans le sang. Ces méthodes de dopage sont illicites et interdites par les différentes fédérations sportives. Parmi ces méthodes, on trouve : – les transfusions sanguines : du sang est prélevé chez le sportif, ce qui provoque une nouvelle fabrication de globules rouges et donc d’hémoglobine. Par la suite, on réintroduit les globules rouges présents dans le sang prélevé, ce qui augmente la quantité finale de globules rouges et donc d’hémoglobine : la capacité d’apport de dioxygène aux cellules est donc augmentée. – l’injection d’EPO, qui provoque une fabrication forcée de globules rouges avec les effets décrits ci-dessus.

L’autre possibilité est d’augmenter le taux d’hémoglobine dans le sang pour amener davantage de dioxygène aux cellules : CHb

→

⎯→

Hb + O2(g)  HbO2

Lors de stages sportifs en altitude, la concentration de dioxygène disponible dans l’air inspiré étant plus faible, l’organisme va s’adapter et fabriquer davantage d’hémoglobine. Une série de mécanismes sont, en effet, utilisés par le corps pour fabriquer davantage de globules rouges, notamment grâce à une hormone naturelle produite par les reins, ayant pour nom érythropoïétine ou EPO. Lors du retour en plaine, le corps disposant d’un supplément de globules rouges, et donc d’hémoglobine, est capable de fixer davantage de dioxygène. Cela permet de brûler plus de glucose et les sportifs disposent donc de plus d’énergie : la capacité à améliorer les performances dans les sports d’endurance augmente.

Afin de vérifier si un dopage à l’EPO a eu lieu, les médecins déterminent, lors d’une analyse de sang, l’hématocrite du sportif : c’est le taux, en pourcentage, de globules rouges présents dans le sang. Lorsque l’hématocrite dépasse 50 % chez un homme et 47 % chez une femme, il y a suspicion de dopage à l’EPO. Il faut signaler que ces pratiques, en plus d’être illicites, sont dangereuses pour le sportif car elles rendent le sang plus visqueux suite à l’augmentation du nombre de globules rouges. Les risques encourus sont importants : hypertension artérielle, thrombose, arrêt cardiaque…

Pour en savoir plus…

Comment procèdent dès lors les sportifs pour y arriver ?

Notions de base de chimie organique (alcanes, alcènes, polymères) Au cours de cette unité d’acquis d’apprentissage, tu développeras la compétence suivante : • évaluer l’importance des substances organiques dans l’environnement quotidien du consommateur responsable.

6 année UAA 7 e

Chapitre 1 Classification des composés organiques et inorganiques – Identifications des alcanes et des alcènes

Chapitre 2 Combustion des alcanes

Chapitre 3 Polymérisation et matières plastiques

Chapitre 3

Polymérisation et matières plastiques À partir de petites molécules organiques, les réac tions de polymérisation permettent de fabriquer des polymères, macromolécules, constituants essentiels des matières plastiques. Ces derniers occupent une place importante dans notre quotidien et font l’objet, après usage, d’une politique de recyclage et de valorisation.

Ressources et processus à mobiliser P olym é r is at ion e t m atiè r e s plas tiqu e s

Chapitre 3

À la fin de ce chapitre, tu seras capable de… SAVOIRS définir : – réaction de polymérisation, – degré de polymérisation, – polymère thermoplastique ; schématiser un polymère obtenu par polyaddition ; citer certains avantages et désavantages des plastiques ; citer trois types de valorisation de plastiques usagés.

SAVOIR-FAIRE écrire l’équation bilan générale de formation d’un polymère d’addition à partir d’un mono mère ; calculer le degré de polymérisation « n » d’un polymère connaissant sa masse molaire moyenne ; résoudre un problème stoéchiométrique impliquant un polymère.

PROCESSUS décrire le principe d’une réaction de polymérisation, sans spécifier le mécanisme(C) ; décrire des macromolécules (synthétiques et naturelles) comme le résultat d’une poly mérisation (C) ; décrire la diversité des polymères synthétiques à partir des pictogrammes d’identifica tion (C) ; mettre en évidence l’impact positif des polymères synthétiques sur notre société (T) ; expliquer un processus de recyclage des matières plastiques (T).

126

UAA 7

Mise en situation Si les produits du raffinage du pétrole sont essentiellement utilisés comme source d’énergie non renouvelable, environ 8 % des produits sont transformés dans les industries chimiques pour synthétiser de nouvelles molécules. Parmi ces nouvelles molécules, les polymères sont les constituants principaux des matières plastiques qui occupent une place de plus en plus prépondérante dans la vie quotidienne. Une matière plastique se compose généralement : d’un polymère qui confère les propriétés principales à cette matière ; d’additifs destinés à faciliter la mise en forme de la matière (lubrifiants pour le démoulage) et à améliorer certaines caractéristiques physiques ou chimiques (stabilisants, colorants, ignifugeants...) Signalons que le mot « plastique », communément employé au lieu de « matière plastique », vient du grec plastikos signifiant « apte au modelage ». Ces matières plastiques à base de polymères se retrouvent dans des domaines aussi variés que ceux de l’emballage, de l’automobile, des supports audiovisuels, des sports et loisirs, du bâtiment…, en remplacement de matières traditionnelles comme le bois, le métal, la céramique, le verre… Le schéma ci-contre montre en pourcentage l’utilisation des matières plastiques dans dif férents domaines.

Électricité et électronique Médical 1% 7% Transport 14 % Sports et loisirs 5%

Bâtiments et travaux publics 22 %

Emballage 40 %

Ameublement Autres 8% 3%

La production mondiale et européenne des matières plastiques augmente de manière fulgu rante depuis les années 1950 comme le montre le graphique ci-après.

Plusieurs questions peuvent être posées à propos des polymères et des matières plastiques. Qu’est-ce qu’une réaction de polymérisation ? Quels sont les polymères présents dans les matières plastiques ? Comment les synthétise-t-on ? Quelle est leur structure ? Quelles sont leurs propriétés ? À quel usage les destine-t-on ? Après usage, que faire avec les déchets plastiques ? Comment, éventuellement, les valoriser ? C’est à ces différentes questions que nous allons tenter de répondre dans ce chapitre.

Mise en situation

Production mondiale et européenne des matières plastiques

127

Appropriation P olym é r is at ion e t m atiè r e s plas tiqu e s

Chapitre 3

Réactions de polymérisation n CH2 CH2

Une réaction de polymérisation n CH2 CH2 est une réaction au cours de laquelle des monomères identiques ou diffé rents s’associent l’un à l’autre pour former un polymère, molécule géante, appelée parfois macromolécule, de masse molaire très élevée.

n CH2 CH2

...

CH2

...

n... CHCH CHCH n CH22 2CH22 2

... CH( 2 CH CH CH CH) CH CH CH ... CH22 2 CH22 2nCH2 2 CH2 2 CH2 2 CH2 CH2

CH2

...

CH2

( CH CH ) n CH2 2CH2 2 n ( CH2

CH2

CH2 )n

L’indice « n » est appelé « degré de polymérisation » ou « indice de polymérisation ». Pour des valeurs élevées de n (n > 100), on parle de macromolécules.

Il existe deux grands types de réactions de poly mérisation : la polyaddition et la polycondensa tion.

Il n’est pas rare que le degré de polymérisation « n » atteigne la valeur de 100 000, voire un mil lion.

Polymérisation par réaction d’addition entre monomères identiques (polyaddition)

Aux deux extrémités de la macromolécule, il se forme deux liaisons soit avec un atome H, soit avec un groupement d’atomes (OH, CH3 ...) pré sents dans le milieu.

Dans une polymérisation par réaction d’addition, le monomère est une molécule d’alcène A et un grand nombre de monomères A se lient les uns aux autres pour former une très longue chaîne dans laquelle n’existent que des liaisons covalentes simples.

Ce type de réaction, appelée réaction de polyaddition, peut être schématisé de la façon suivante : n A ou n A

…

( A (n

L’exemple le plus simple à comprendre est la for mation de polyéthylène à partir d’éthylène. Ainsi, si nous représentons des monomères éthy H H lène par des paires de « Mickey » C C H H

La plupart des alcènes polymérisent selon un pro cessus semblable de polyaddition. Le tableau suivant reprend les équations bilans de la formation des principaux polymères obtenus par polyaddition d’alcènes et leur symbole. Principaux polymères obtenus par polymérisation d’alcènes Monomère n H

n C

→

n C

alors, le dessin suivant représente une petite par tie du polymère polyéthylène où il ne subsiste que des simples liaisons covalentes :

H nC

→

Selon un formalisme chimique, nous représen terons la formation du polyéthylène à partir de l’éthylène comme suit :

→

H H chlorure de vinyle

CH3

PIB

CH3 n polyisobutène

Cl C

H CH3 isobutène H

Symbole

H CH3 n polypropylène

CH3 C

Polymère ( )n

H H n polyéthylène

H H éthylène

H CH3 propylène

128

CH2

→

H n polychlorure de vinyle

PVC

UAA 7 H

Polymère ( )n

→

Préparer du nylon 6,6 PS

H C6H5 n polystyrène

H C6H5 styrène F

Symbole

→

F F tétrafluoroéthylène

•  verser, dans un berlin, 10 mL d’une solution à 5 % d’hexaméthylène diamine dans l’eau ;

PTFE

polytétrafluoroéthylène (téflon)

À l’interface eau/heptane, les molécules de chlorure et de diamine se condensent et forment un film de nylon.

Polymérisation par réaction de condensation entre monomères différents (polycondensation)

Au fur et à mesure que le film est retiré, d’autres molécules de réactifs peuvent entrer en contact et réagir pour former un nouveau film : ce phénomène se poursuivra jusqu’à épuisement des réactifs.

Dans une polymérisation par réaction de condensation, deux monomères différents B et C se lient un très grand nombre de fois les uns aux autres avec élimination de résidus (généralement H2O ou HCl) pour former un polymère.

Macromolécules naturelles

Ce type de réaction, appelée réaction de polycondensation, peut être schématisé de la façon suivante : … B C B C B C … n B +nC + résidus

n B +nC

( B

C ( n + résidus

Un exemple de réaction de polycondensation est la synthèse du nylon 6,6 qui est un pol yamide obtenu à partir de deux monomères contenant chacun six atomes carbone, d’où l’appellation nylon 6,6. Les deux monomères de base B et C pour la synthèse du nylon 6,6 sont : O Cl

O C (CH2)4 C

et Cl

chlorure d’acide adipique

H N

•  y superposer, avec précaution, 10 mL d’une solution à 5 % de chlorure d’acide adipique dans l’heptane ; •  avec une baguette de verre, tirer un fil de nylon formé à l’interface des deux solutions.

Pour aller plus loin ...

Pour ce faire :

(CH2)6 N

hexaméthylène diamine

Dans le monde du vivant, des macromolécules sont synthétisées selon des processus biologiques complexes. Parmi ces macromolécules, citons : • l’amidon synthétisé à partir du glucose selon la réaction dont l’équation simplifiée est la sui vante : n C6H12O6 →

( C6H10O5 )n + n′ H2O

glucose

amidon

• les protéines formées à partir de la réaction entre acides aminés dont la formule générale est : H H2N

O C

H (Rx =

CH3,

H CH2COOH, …)

Appropriation

Monomère n

129

P olym é r is at ion e t m atiè r e s plas tiqu e s

Chapitre 3

Une molécule d’acide aminé peut se lier à une autre molécule d’acide aminé pour former le début d’une longue chaîne aboutissant à une macromolécule (protéine). R1 ···H

OH H

CH N

OH H

CH N

R1 ···

OH··· C

+ nH2O

liaison peptidique

Numérotation d’identification et usages de quelques polymères Polymères

Numéro d’identification

• Polyéthylène PE Parmi les polyéthylènes, on distingue : • le polyéthylène basse densité qui est souple : c’est la matière plastique la plus utilisée au monde

PEbd

• le polyéthylène haute densité qui est rigide PEhd

• Polypropylène PP

• Polychlorure de vinyle PVC

130

CH N

Usages • couvertures de piscines • feuilles pour serres • films d’emballage • sacs à glaçons • sacs poubelles • flacons souples • flacons plus ou moins rigides • poubelles • tuyaux • seaux • jerricans • casiers de manutention • réservoirs à essence • sachets cuiseurs pour riz, pâtes • récipients pour margarine • meubles de jardin • emballages pour gâteaux • fibres pour certains tapis de sol • classeurs • valisettes • boîtes de stockage • conduits d’aération • pare-chocs • récipients pour micro-ondes • cartes de crédit • châssis et portes • tuyaux • ustensiles de ménage • jouets • gouttières • clôtures

UAA 7 • Polystyrène PS

• gobelets • boîtiers de radio • pare-douche

• isolation thermique et phonique (polystyrène expansé PSE) • tableaux de bord des voitures

• Polyéthylènetéréphtalate PET

• bouteilles gazeuses

pour

boissons

• fibres textiles connues sous le nom de polyester

• films : emballages, support pour films photos ou cinéma, bandes magnétiques • ventilateurs, alternateurs, poi gnées de porte de voiture • film intérieur de Tetra Pak

• Nylon 6,6

• bas nylon et textiles • roues dentées, vis, écrous, rou Pas de numéro lements d’identification • seringues, stérilets, valvules propre mitrales… (others)

• fils de pêche, cordes, chaussures et fixations de skis… • tapis

Selon les objets envisagés, plusieurs propriétés des plastiques sont intéressantes. Ainsi, selon les matières, elles : • sont légères ; • sont d’un coût énergétique peu élevé ; • assurent une bonne isolation ; • ne rouillent pas ; • se brisent moins vite que d’autres matériaux ; • n’ont pas besoin d’être peintes : elles peuvent être colorées dans la masse ; • peuvent prendre n’importe quelle forme ; • résistent aux principaux acides, bases et à certains solvants ; •… Légèreté et coût énergétique • L’utilisation de plastiques dans les voitures est passée de 100 kg en 1997 à environ 150 kg en 2015, soit une augmentation de 50 % en 18 ans. Ces 150 kg de plastiques remplacent 300 à 450 kg de matériaux métalliques et réduisent ainsi la consommation d’essence de 0,5 L aux 100 km. Cette économie représente 750 L pour 150 000 km parcourus. Rien que pour l’Europe de l’Ouest, l’utilisation de plastiques dans les voitures a permis de réduire la consommation de pétrole de 12 millions de tonnes par an et les émissions de CO2 (gaz à effet de serre) de 30 millions de tonnes1. 1. www.planete-energies.com

Appropriation

Propriétés intéressantes des matières plastiques

131

• La frigolite (terme belge), polystyrène expansé ou PSE, ainsi que des mousses en matière plas tique sont utilisées comme isolant thermique. Pour économiser l’énergie dans les bâtiments, des primes sont ainsi accordées par les Régions aux particuliers qui désirent isoler leur habita tion. L’isolation thermique est un des moyens les plus efficaces pour réduire le coût énergé tique lié au chauffage.

P olym é r is at ion e t m atiè r e s plas tiqu e s

Chapitre 3

Résistance aux chocs Pensons aux : • boîtes à œufs et matériaux d’emballage en fri golite PSE ;

• Comme pour les voitures, le coût du transport de marchandises diminue en fonction de la masse transportée.

• coques de planches à voile, enjoliveurs de voi ture, pots de fleurs… en polypropylène PP ; • coussins d’airbag en nylon ; • …

Ainsi, le remplacement des bouteilles de verre d’une masse d’environ 500 g selon l’épaisseur du verre par des bouteilles en plastique d’en viron 25 g a diminué le coût du transport des boissons et par conséquent l’émission de CO2.

Inertie chimique, teinture dans la masse et mise en forme

Isolation

C’était particulièrement le cas des pare-chocs métalliques dont l’entretien était fastidieux, voire coûteux.

Certaines matières plastiques ont des propriétés isolantes électriques ou thermiques intéressantes. • Le polychlorure de vinyle PVC est utilisé comme isolant électrique (interrupteurs, conduites pour câbles électriques…).

Avant l’introduction des matières plastiques dans les automobiles, certaines pièces étaient sujettes à une oxydation rapide (rouille).

La résistance des plastiques à la corrosion permet de réduire la main-d’œuvre et les coûts d’entre tien de ces pièces ainsi que d’autres pièces comme les rétroviseurs, l’intérieur des garde-boue... De plus, ces différentes pièces, le plus souvent en PP, peuvent être fabriquées dans la même teinte que la carrosserie et dans le design adapté à celui de la voiture. La mise en forme des matières plastiques permet de leur donner des formes diverses qui peuvent s’adapter, par exemple, à l’espace laissé libre pour les réservoirs de voitures.

132

UAA 7

Inconvénients des matières plastiques Indépendamment des propriétés intéressantes des plastiques citées ci-dessus et de bien d’autres, il faut relever de nombreux inconvénients : • non-biodégradabilité pour la plupart des plastiques ; • dépendance actuelle au pétrole ; • accumulation visuelle ou non dans l’environnement : pensons aux déchets plastiques dans les mers par exemple ; • emploi excessif, par exemple dans les emballages ; • …

Gestion des déchets plastiques Les déchets en matière plastique représentent, en Belgique, environ 10 % en masse des déchets ménagers qui sont estimés à 500 kg/habitant.an. Que faire de cette « montagne » de déchets plastiques ? Trois solutions au problème posé par ces déchets sont actuelle ment envisagées. Valorisation matière La valorisation matière consiste à transformer un objet plastique usagé en un autre objet plas tique. Cette valorisation s’applique aux polymères qualifiés de « thermoplastiques », appelés ainsi parce que, sous l’action de la chaleur, ils peuvent être fondus et remis en forme pour une autre utilisation. Beaucoup de polymères sont thermoplastiques. Citons le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP), le polystyrène (PS), le polyéthylène téréphtalate (PET) et le polychlorure de vinyle (PVC).

Source : www.ecoemballages.fr

Appropriation

Le schéma suivant illustre le recyclage des emballages en plastique collectés dans les « poubelles bleues ».

133

Valorisation énergétique

P olym é r is at ion e t m atiè r e s plas tiqu e s

Chapitre 3 Le saviez-vous ? • 1 bouteille permet de fabriquer 7 cartes à puces • 2 bouteilles = 1 montre = 1 écharpe en laine polaire • 27 bouteilles = 1 pull polaire • 67 bouteilles d’eau = 1 couette pour deux • 11 bouteilles de lait = 1 arrosoir • 12 bouteilles de soda = oreiller • 200 flacons de produits d’entretien = 1 pou belle • 450 flacons de lessive = 1 banc de 3 places

La valorisation énergétique consiste à brûler un objet plastique usagé dans un incinérateur avec récupération d’énergie. Les matières plastiques ont un pouvoir ther mique à peu près égal à celui du gazole. La chaleur libérée sert d’une part à produire une partie de l’électricité et d’autre part à chauffer certaines installations, usines ou habitations. kJ.kg–1 50 000 40 000 30 000

Valorisation chimique La valorisation chimique consiste à transformer un objet plastique usagé en monomères, en com bustibles ou en gaz réutilisables. • le polystyrène peut être dépolymérisé en styrène réutilisable dans la production de polystyrène neuf ; • certaines matières plastiques, par rupture ther mique des chaînes carbonées, à l’abri de l’air, sont transformées en un mélange d’hydrocar bures réutilisables en pétrochimie ; • par combustion incomplète à haute température, des matières plastiques sont transfor mées en un mélange de CO et de H2 pouvant être utilisé comme combustible.

134

20 000 10 000 1 kg 1 kg de charbon de gazole

1 kg de plastiques

Un des gros problèmes des incinérateurs est l’émission des gaz tels que HCl, HF, SO2, NOx ... qui doivent être neutralisés afin de ne pas pol luer l’atmosphère. Pensons aussi aux poussières, aux nuisances sonores des charrois de camions apportant les déchets...

UAA 7

Activités d’apprentissage L a synthèse du styrène (C6H5 CH CH2 ) peut aussi se faire par réaction entre le benzène (C6H6) et le chlorure d’éthyle (CH3 CH2Cl). Cette réaction peut être représentée par l’équation bilan suivante : C6H6 + CH3

CH2Cl → C6H5

CH2 + HCl + H2

Calculer la masse de styrène pouvant être théoriquement obtenue à partir d’une tonne de benzène.

É crire l’équation bilan de la combustion complète d’un polyéthylène de degré de polymérisation égal à 1 000 : ( CH2 CH2 )1 000.

L’incinération est un des moyens utilisés pour se débarrasser des déchets de polypropylène tout en récupérant une partie de l’énergie ainsi libérée. H H

Le polypropylène est synthétisé à partir du propylène C

C .

H CH3

a)  Écrire la formule générale du polymère. b)  Écrire une équation bilan traduisant la polymérisation du propylène en polypropylène. c)  Écrire l’équation traduisant la combustion complète du polypropylène (n = 3 000). d)  Calculer la masse de CO2(g) libéré dans l’atmosphère lors de la combustion complète de 1,1 . 106 tonnes de déchets de polypropylène. e)  Citer l’inconvénient majeur des rejets de la combustion du polypropylène pour l’environnement. f)  Calculer l’énergie thermique libérée par la combustion de 1,1 . 106 tonnes de polypropylène connaissant son pouvoir thermique 5 . 107 J . kg–1. R : d) m = 3,5 . 106 T ; f) E = 5,5 . 1010 MJ 4

Déterminer avec quel polymère les objets suivants sont fabriqués : – sac poubelle – tableau de bord d’une voiture – fil de pêche – chassis et portes – parechoc – bouteilles pour contenir eau minérale – seaux.

Activités d’apprentissage

R : m = 1 333 kg

135

P olym é r is at ion e t m atiè r e s plas tiqu e s

Chapitre 3

136

Dans la photo ci-dessous, déterminer le polymère constitutif d’au moins 8 objets.

l’aide de différentes sources d’information, citer quelques grands À groupes de polymères naturels et pour chacun donner un exemple ainsi que son usage dans la vie quotidienne.

Les plastiques BIO Des plastiques biocompatibles

Signalons aussi comme biomatériaux :

Ce sont des plastiques conçus en vue d’être placés au contact de tissus humains, de sang et/ou de fluides biologiques sans subir de rejets. Certains de ces plastiques sont à base de polystyrène. Le schéma ci-dessous montre des prothèses et implants biocompatibles qui sont utilisés actuelle ment. Drain Prothèse de l’œil Valve cardiaque

Filet pour hernie Prothèse de tendon

Prothèse du genou

CH3 CH2

C COOCH3 n

• la « pâte dentaire » constituée :

Cartilage Prothèse mammaire

• les lentilles artificielles en polyméthacrylate de méthyle PMMA :

Prothèse de l’oreille Peau artificielle

– de monomères acryliques caractérisés par la présence du groupement CH2 C ; – de particules minérales (la silice SiO2 essentiel lement).

À l’heure actuelle, les dentistes utilisent cette « pâte » pour obturer des caries dentaires. Celle-ci est polymérisée dans la dent grâce à une radia Prothèse tion lumineuse. Cette technique remplace les de hanche plombages classiques à l’amalgame de mercure. Prothèse vasculaire

Pour en savoir plus…

UAA 7

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137

P olym é r is at ion e t m atiè r e s plas tiqu e s

Chapitre 3

Des plastiques biodégradables Nous savons que l’accumulation de matières plastiques dans la nature pose problème. Il faut savoir qu’un sac en plastique conte nant des déchets ménagers peut mettre plus de cent ans pour se désagréger naturellement dans une décharge. Il en est de même pour les barquettes d’aliments, les pots de yaourt, les assiettes et gobelets en plastique... Pour remédier à cette accumulation de matières plastiques dans la nature, plusieurs projets de recherche se sont orientés vers des plastiques biodégradables. Les plastiques biodégradables ont la propriété d’être dégradés, décomposés naturellement soit par des organismes vivants (bactéries), soit par la lumière. Le défi est complexe car ces plastiques doivent avoir des caractéristiques techniques compa rables à celles des plastiques conventionnels d’origine pétrochimique : solidité, élasticité, déformation... mais leur prix de revient ne peut pas trop dépasser celui des plastiques traditionnels. Ainsi, ils sont utilisés par exemple dans les domaines médical (ex. : fils de suture) et agricole (ex. : films protégeant la croissance des plantes). D’autre part, depuis peu, de nombreuses communes en Belgique mettent en vente, pour les particuliers, des sacs 100 % biodégra dables pour recueillir les déchets organiques (déchets de cuisine, petits déchets de jardin, langes d’enfants…).

Ces déchets organiques et leurs sacs sont valo risés dans des unités de biométhanisation. Le biogaz (méthane, …) généré par la fermen tation est valorisé en chaleur (chauffage de diverses installations) et en électricité injectée dans le réseau. La notion de biodégradabilité est actuelle ment très floue et non fixée par la loi. Plusieurs organismes mondiaux se sont dès lors associés pour fixer une « définition » de « plastique biodégradable2 » : Un plastique biodégradable est un plastique : – qui conserve les performances d’un plas tique conventionnel pendant son usage ; – qui subit une dégradation par un processus biologique (bactéries du sol, voire bactéries ajoutées au compost) pendant le compostage ; – qui peut se décomposer complètement en produisant H2O, CO2 et/ou CH4 à un rythme comparable à celui d’autres matières compostables, et ce, sans laisser de résidus toxiques. Cette contrainte semble être rencontrée dans plusieurs catégories de plastiques biodégrada bles, les principaux étant les polymères polylactiques (PLA) et les polymères issus d’amidon.

Les PLA (abréviation anglaise de PolyLactic Acid) Le saccharose présent dans les betteraves ou la canne à sucre est d’abord transformé en acide lactique par fermentation bactérienne.

2. Norme définie par le BPI (Biodegradable Products Institute).

138

UAA 7 Les films plastiques, les textiles infroissables et les emballages constituent leurs principales applications. À titre d’exemples, signalons que : • deux grands chaînes de distribution belges utilisent du PLA pour l’emballage de plantes aromatiques, fruits et légumes ou pâtisserie ; • une firme japonaise a lancé un ordinateur dont le caisson est en PLA ; • deux firmes japonaises ont présenté des véhicules dont les tableaux de bord, les sièges ou les carpettes de sol ont également une origine partiellement végétale ; • les imprimantes 3D fabriquent aussi des objets en PLA.

Les plastiques issus d’amidon Ce type de plastique est fabriqué à partir d’amidon de maïs, de riz, de blé… L’amidon a été modifié mécaniquement et chimiquement pour lui donner des propriétés mécaniques similaires aux plastiques conven tionnels (voir plus haut).

Applications actuelles des plastiques biodégradables À titre d’exemples, signalons que : • en Autriche, depuis 1998, dans une cé lèbre chaîne de fast-food, les couverts sont en plastique biodégradable (à base d’amidon de maïs) : ils peuvent donc être jetés avec les reliefs des repas ; • dans certains pays, les pots de yaourt sont aussi en plastique biodégradable (à base de sucre de betterave) : ils n’ont plus à être lavés ni à être déposés avec les emballages recyclables ; • en Angleterre et au Brésil, des cartes bancaires sont également en plastique biodégradable (à base de sucre de bet terave) et en Belgique (à base de résidus de maïs) ; • au cours d’un Paris-Dakar, une moto fonctionnant à l’éthanol était lubrifiée à l’huile de colza, possédait une selle en fibres végétales et un garde-boue en amidon de maïs ; • …

Outre en agriculture, leurs principales appli cations sont : sachets, emballages, couverts, rasoirs, couches-culottes…

Boîte de sachets en matière biodégradable (Mater-Bi), vendue en Italie en 2007

Pour en savoir plus…

Les molécules d’acide lactique sont ensuite polymérisées par voie chimique pour former le PLA, biodégradable en quelques semaines par les bactéries du sol.

139

Grandes classes de réactions chimiques (précipitation, acide-base, oxydoréduction) Au cours de cette unité d’acquis d’apprentissage, tu développeras la compétence suivante : • décrire une réaction de précipitation comme une réaction de recombinaison d’ions, une réaction acide-base comme un transfert de protons, une oxydoréduction comme un transfert d’électrons.

6 année UAA 8 e

Chapitre 1 Réaction de précipitation

Chapitre 2 Acidité et échelle de pH

Chapitre 3 Réaction acide-base

Chapitre 4 Réaction d’oxydoréduction

Chapitre 5 Prévision et écriture des équations ioniques des réactions rédox

Chapitre 6 Les piles

Chapitre 3

Réaction acide-base La théorie de Brönsted-Lowry définit les acides et les bases respectivement comme des donneurs et des accepteurs d’ion(s) H+. La réaction acide-base consiste, selon cette théorie, en un transfert d’un ion H+ d’un acide vers une base.

Ressources et processus à mobiliser Ré action acide - bas e

Chapitre 3

À la fin de ce chapitre, tu seras capable de… SAVOIRS définir, selon Brönsted et Lowry : – acide, – base, – couple acide-base, – réaction acide-base, – ampholyte.

SAVOIR-FAIRE identifier, selon Brönsted et Lowry, un acide et une base ; écrire un couple acide/base conjuguée ; écrire l’équation traduisant, selon Brönsted, une réaction acide-base, en montrant le transfert d’un ion H+.

PROCESSUS décrire une réaction acide-base (C) ; déterminer les espèces chimiques présentes dans une solution à partir des espèces introduites (A) ; utiliser « le principe de neutralisation » pour interpréter une situation de la vie courante (A).

172

UAA 8

Mise en situation Si le chapitre précédent a permis de définir l’acidité d’une solution et de représenter celle-ci sur une échelle de pH, il reste à décrire comment cette acidité peut être modifiée. La lecture des documents du chapitre précédent propose déjà des pistes de solutions. Ainsi, l’ajout d’acide dans une solution basique permet de réduire le pH. Dans ce cas, une réaction chimique a donc lieu. Que se passe-t-il lors de cette réaction ? Pour mieux comprendre ces variations de pH, envisageons quelques expériences qui peuvent être facilement réalisées en classe ou à la maison.

Préparation à domicile d’une solution d’indicateur de pH

fin de mettre en évidence les réactions qui se produisent entre un acide et une base, il est nécessaire de A suivre l’évolution de l’acidité dans le mélange réactionnel. Le protocole suivant permet d’obtenir, à partir d’un produit naturel, le chou rouge, une solution qui présente différentes couleurs en fonction de l’acidité du milieu.

Pour ce faire : •  couper en petits morceaux un quart de chou rouge ; •  chauffer 1 L d’eau déminéralisée dans une casserole contenant les morceaux de chou rouge jusqu’à obtenir une ébullition ;

•  laisser refroidir la solution ; •  enlever les morceaux de chou et filtrer le jus dans une bouteille ; •  le jus obtenu a une couleur bleu foncé.

Détermination de la couleur de la solution de chou rouge en fonction du milieu acide ou basique our établir la couleur de la solution de chou rouge en milieu acide et en milieu basique, il est nécessaire P de se procurer une solution acide, du vinaigre commercial, et une solution basique, de l’ammoniaque vendu en droguerie qui, dilué, sert notamment pour nettoyer les vitres.

Pour ce faire : •  verser 10 mL de la solution de chou rouge dans trois tubes à essais ou trois récipients étroits en verre ; •  numéroter les tubes, le tube n° 1 servant de témoin de coloration ; •  ajouter, à l’aide d’un compte-gouttes, 10 gouttes de vinaigre dans le tube n° 2 ;

Mise en situation

•  maintenir le chauffage pendant quelques minutes ;

173

Ré action acide - bas e

Chapitre 3 •  noter la couleur obtenue après avoir mélangé la solution ; •  ajouter, à l’aide du même compte-gouttes préalablement rincé à l’eau, 10 gouttes de solution d’ammoniaque dans le tube n° 3 ; •  noter la couleur obtenue après avoir mélangé la solution. La couleur de la solution de chou rouge permet donc, en suivant le protocole décrit ci-dessus, de déterminer le caractère acide ou basique de quelques produits domestiques. Ainsi, il est possible de déterminer le caractère acide, neutre ou basique des solutions suivantes : le jus de citron, l’esprit de sel, une solution de bicarbonate de soude, le Destop®, le sérum physiologique… Si certaines solutions ne présentent aucun danger à l’usage, il est recommandé de bien lire les étiquettes pour les autres car certaines solutions peuvent se révéler corrosives. La photo ci-contre présente les différentes couleurs que peut prendre une solution de chou rouge en fonction du pH de la solution.

Étude de la réaction chimique lors de l’ajout d’ammoniaque dans une solution de vinaigre

Pour ce faire :

•  prendre le tube n° 2 préparé dans la manipulation précédente ; •  ajouter, goutte après goutte, de l’ammoniaque jusqu’au changement de coloration ; •  noter la couleur finale.

174

UAA 8

Appropriation La théorie acide-base selon Brönsted et Lowry

Définition d’une base

Pour illustrer la réactivité des solutions acides et/ou basiques utilisées dans les manipulations précédentes, une solution de vinaigre et une solution d’ammoniaque ont été utilisées.

Lorsqu’il est en contact avec l’eau, il réagit partiellement selon l’équation suivante : – NH3(g) + H2O(l)  NH+4(aq) + OH(aq)

Les substances chimiques en solution dans l’eau déterminent l’acidité du milieu comme le montrent les teintes du jus de choux rouge dans les deux éprouvettes de la photo ci-dessous.

L’ammoniac NH3 à l’état naturel se présente sous forme d’un gaz qui est soluble dans l’eau.

Sachant que le produit ionique de l’eau (Kw = [H3O+] . [OH–]) est constant dans toute solution aqueuse, la formation d’ions hydroxydes OH– confère un caractère basique à la solution d’ammoniaque car l’augmentation de la concentration en ions OH– entraîne une concentration en ions H3O+ inférieure à 10–7 mol . L–1. L’ammoniac NH3 possède donc la capacité de capturer un ion H+ provenant de l’eau H2O. Les chimistes ont identifié bien d’autres substances possédant cette propriété et les ont classées parmi les bases. Brönsted et Lowry ont également proposé, en 1923, une définition pour les bases.

L’acide éthanoïque CH3—COOH appelé également acide acétique est l’acide présent dans le vinaigre. En solution, l’acide et l’eau réagissent partiellement pour donner l’ion hydronium H3O+ et l’ion acétate selon l’équation suivante : CH3—COOH(l) + H2O(l)  H3O+(aq) + CH3—COO –(aq) L’acide acétique, comme les autres acides étudiés dans le chapitre précédent, possède la capacité de donner un ion H+ à l’eau, ce qui aboutit à la formation d’ions H3O+. Brönsted et Lowry ont proposé, en 1923, une définition générale pour les acides. Un acide est une espèce chimique capable de donner un ion H+. Un acide, donneur d’ion H+, est symbolisé par HA. Il peut être : – soit une molécule entière (HCl, HNO3, H2SO4…) – soit un ion (NH4+, H3O+…)

Une base est une espèce chimique capable d’accepter (capturer) un ion H+. Une base, accepteur d’ion H+, est symbolisée par B. Elle peut être : – soit une molécule entière (NH3, une amine comme CH3—NH2…) – soit un ion négatif (F–, OH–, CO32–…) Couple acide-base conjuguée Pour traduire, de façon générale, la libération potentielle d’un ion H+ par un acide HA, l’écriture suivante est utilisée : HA  H+ + A– Dans ce cas, l’espèce A–, formée par la perte d’un ion H+ à partir de l’acide HA, est une base puisque théoriquement elle est susceptible de fixer un ion H+ pour reformer l’acide de départ (réaction inverse) : à un acide HA est donc associée une base A–. Nous dirons que : – l’entité formée A–, suite à la perte d’un ion H+ par l’acide, est la base conjuguée de l’acide HA ; – HA et A– forment un couple acide-base conjuguée, ce couple s’écrivant HA/A– où l’acide est toujours noté en premier lieu.

Appropriation

Définition d’un acide

175

Ré action acide - bas e

Chapitre 3

Étape 2

Exemple : CH3—COOH  H + CH3—COO +

–

acide acétique acide

ion acétate base conjuguée

L’acide acétique et l’ion acétate forment le couple acide-base CH3—COOH/CH3—COO–. De même, pour traduire de façon générale la capture potentielle d’un ion H+ par une base B, l’écriture suivante est utilisée : B + H+  HB+ Nous dirons que : – l’entité formée HB+, suite à la capture d’un ion H+ par la base, est l’acide conjugué de la base B ; – HB+ et B forment un couple acide-base conjugué, noté HB+/B. Exemple : NH3 + H+  NH4+

ammoniac base

ion ammonium acide conjugué

L’ion ammonium et l’ammoniac forment le couple acide-base NH4+/NH3. Un couple acide–base est donc un ensemble formé par un acide et sa base conjuguée.

Réaction acide-base selon Brönsted-Lowry La présence de l’ion H+ isolé n’a jamais été observée en solution aqueuse. Cela amena Brönsted et Lowry à supposer que, une fois libéré par un acide, cet ion H+ est capté par une autre espèce jouant le rôle de base : l’ion H+ est transféré de l’acide vers la base. Pour Brönsted et Lowry, une réaction acide-base consiste en un transfert d’un ion H+ de l’acide d’un couple acide-base vers la base d’un autre couple acide-base. Si HA représente l’acide de départ (acide 1) et B la base (base 2) mise en présence de l’acide, deux étapes théoriques permettent de représenter le transfert d’un ion H+ : Étape 1 L’acide HA (acide 1) libère son ion H+ et donne ainsi naissance à la base A– (base 1), base conjuguée de l’acide HA : HA  H+ + A– (1)

176

acide 1

base 1

La base B (base 2) capte l’ion H+ libéré et forme l’acide HB+ (acide 2), acide conjugué de la base B : B + H+  HB+ (2)

base 2

acide 2

Globalement, l’équation traduisant une réaction acido-basique n’est rien d’autre que l’équation bilan, somme des équations (1) et (2) : HA  H+ + A– (1) B + H+  HB+ (2) HA + B  HB+ + A– Cette équation montre qu’à partir d’un acide (acide 1) et d’une base (base 2) on obtient directement un nouvel acide (acide 2) et une nouvelle base (base 1), conjugués à la base et à l’acide de départ. Le schéma général suivant résume la réaction acide-base selon Brönsted-Lowry : perte de H+ HA + acide 1

HB+ + A– B base 2 acide 2 base 1 capture de H+

Par convention, le chiffre 1 est attribué au couple dont l’acide figure parmi les réactifs de la réaction acide-base, l’autre couple étant le couple 2. Illustrons ce schéma général pour les réactions acide-base décrites dans la mise en situation. • Quand l’acide CH3—COOH s’ionise dans l’eau, CH3—COOH perd un ion H+ au profit de la base H2O pour former un nouvel acide H3O+ et une nouvelle base CH3—COO–. perte de H+ CH3—COOH(l) + H2O(l) H3O+(aq) + CH3—COO–(aq) acide 1 base 2 acide 2 base 1 capture de H+

Il y a donc réaction entre l’acide CH3—COOH du couple CH3—COOH/CH3—COO– et la base H2O du couple H3O+/H2O. • Quand la base NH3 se dissout dans l’eau, NH3 capture un ion H+ aux dépens de l’acide H2O et il y a formation d’un nouvel acide NH4+ et d’une nouvelle base OH– : perte de H+ H2O(l) + NH3(g) NH+4(aq) acide 1 base 2 acide 2 capture de H+

+ OH–(aq) base 1

UAA 8 • Quand l’acide CH3—COOH réagit avec la base NH3 (cf. mise en situation), CH3—COOH perd un ion H+ au profit de NH3 pour former un nouvel acide NH4+ et une nouvelle base CH3—COO– :

ans ce cas, la réaction se produit entre l’acide D H2O du couple H2O/OH– et la base NH3 du couple NH4+/NH3. es deux premiers exemples de réaction L montrent que l’eau, comme d’autres substances d’ailleurs, peut réagir :

perte de H+

– soit comme une base si elle est mise en présence d’un acide ;

CH3—COOH(aq) + NH3(aq) NH+4(aq) + CH3—COO–(aq) acide 1 base 2 acide 2 base 1

– soit comme un acide si elle est mise en présence d’une base.

capture de H+

n dit que l’eau est un ampholyte, c’est-àO dire une substance qui possède à la fois la capacité d’accepter et de donner un ion H+.

I l s’agit donc d’une réaction entre l’acide CH3— COOH du couple CH3—COOH/ CH3—COO— et la base du couple NH+4/NH3.

La théorie acide-base selon Arrhénius Brönsted et Lowry ne sont pas les premiers chimistes à proposer une théorie pour décrire les propriétés des acides et des bases. Vers 1887, le chimiste suédois Arrhénius (prix Nobel en 1903) propose déjà des définitions d’un acide et d’une base à partir de sa théorie sur la dissociation des solutés dans l’eau. Il imagine que les acides et les bases hydroxydées libèrent des ions positifs (cations) et négatifs (anions). Ainsi, les acides se dissocient dans l’eau en libérant un même cation H+ : H2O

HCl ⎯→ H+ + Cl–

H2O

H2SO4 ⎯→ 2 H+ + SO42–

Tandis que les bases se dissocient dans l’eau en libérant un même anion OH– : H2O

NaOH ⎯→ Na+ + OH–

H2O

Ba(OH)2 ⎯→ Ba2+ + 2 OH–

Cette réaction est dite de neutralisation et est représentée par l’équation ionique suivante : H+ + OH– ⎯→ H2O De manière plus générale, l’équation de neutralisation est définie comme suit : acide + base ⎯→ sel + eau Par exemple, la neutralisation d’une solution d’esprit de sel (HCl) par une solution de soude caustique (NaOH) a pour équation : HCl(aq) + NaOH(aq) ⎯→ NaCl(aq) + H2O(l) Elle peut être schématisée comme suit :

OH– Na+

H2O Na

OH–

H2O Na+ OH– NaOH(aq)

H+

Cl–

Cl– H2O H+

–

H2O

HCl(aq)

H+

→

Na+ H2O H2O H2O – H2O Cl Na+ H2O Cl– H2O Na+ Cl– H2O NaCl(aq)

Appropriation

Selon Arrhénius, le caractère acide d’une solution peut être neutralisé par le caractère basique d’une autre solution. Les ions H+ présents dans la solution acide se combinent aux ions OH– présents dans la solution basique pour former des molécules H2O neutres.

177

Ré action acide - bas e

Chapitre 3

178

Bien que très féconde pour l’époque, la théorie d’Arrhénius a laissé apparaitre des insuffisances. Ainsi, les sels, obtenus lors d’une réaction de neutralisation et définis par Arrhénius comme l’autre produit formé en plus de l’eau, ne sont pas nécessairement « neutres » d’un point de vue acido-basique. De plus, une réaction de neutralisation n’est pas nécessairement une réaction entre ions H+ et ions OH– avec formation de molécules d’eau. Dans la théorie de Brönsted et Lowry, la réaction entre un acide et une base n’est plus décrite comme une réaction de neutralisation mais comme une réaction de transfert d’un ion H+ d’un acide vers une base qui n’est pas nécessairement un ion OH–.

UAA 8

Activités d’apprentissage Selon la théorie de Brönsted : a) un acide est un accepteur d’ion H+ et une base un donneur d’ion H+ ; b) un acide est un donneur d’ion H+ et une base un accepteur d’ion H+ ; c) un acide est un donneur ou un accepteur d’ion H+ selon les cas ; d) un acide est un donneur d’ion OH–. Choisir la proposition correcte et justifier. 2

Les deux couples acide-base présents dans l’équation HCO3– + H2O  OH– + H2CO3

sont : a) HCO3–/H2O et OH–/H2CO3 ; b) OH–/H2O et H2CO3/CO32– ; c) H2O/OH– et H2CO3/HCO3– ; d) H2O/OH– et CO32–/H2CO3.

Soit les espèces chimiques suivantes : H2S, NH4+, S2–, OH–, H2SO4, H3O+, CH3—COO–, HCl a) Rechercher, selon Brönsted, les acides et les bases. b) Écrire le couple acide-base correspondant à chacune des espèces chimiques ci-dessus.

Les équations suivantes traduisent des réactions acide-base : a) HSO3– + PO43–  SO32– + HPO42– b) NH4+ + H2O  NH3 + H3O+ c) HSO4– + S2–  SO42– + HS– d) CO32– + H2O  HCO3– + OH– Dans chaque équation : – identifier l’acide et la base de départ ; – identifier l’acide et la base formés ; – identifier, à l’aide de flèches, la perte et la capture d’un ion H+ ; –é crire les deux couples acide-base présents.

É crire l’équation traduisant la réaction entre l’acide du premier couple et la base du deuxième couple, pour chacune des paires de couples suivantes : a) H3O+/H2O et NH4+/NH3 b) HF/F– et HCO3–/CO32– c) H3PO4/H2PO4– et H2O/OH– d) HCl/Cl– et NH4+/NH3 e) HIO3/IO3– et HF/F–

Activités d’apprentissage

Choisir la proposition correcte et justifier.

179

Ré action acide - bas e

Chapitre 3 6

E n supposant le transfert d’un seul ion H+ entre l’acide et la base, compléter les équations suivantes : a) H2CO3 + OH–  b) NH3 + H2SO4  c) HSO4– + CO32–  d) CN– + CH3—COOH 

n engrais pour rosiers contient des ions nitrate, sulfate, phosphate, U ammonium, et potassium. a) Écrire la formule de chacun de ces ions. b) I dentifier le seul acide parmi les cinq ions cités et écrire l’équation traduisant sa réaction potentielle avec l’eau.

L es poissons pêchés contiennent parfois des amines odorantes. Ces molécules sont fragiles, volatiles et peu solubles dans l’eau, ce qui explique les fortes odeurs dégagées dans la cuisine lors de leur préparation. Une de ces amines, notée R–NH2, est une base dont l’acide conjugué est soluble dans l’eau. Pour éviter ces fumets tenaces, il y a une solution : ajouter un acide (vinaigre ou jus de citron) au court-bouillon lors de la cuisson. Proposer une explication chimique à la disparition de l’odeur lorsqu’un peu de vinaigre est ajouté au cours de la cuisson.

180

n camion déverse accidentellement de l’acide chlorhydrique sur une U chaussée. Quel(s) moyens(s) pourra (pourraient) être mis en œuvre par les pompiers pour neutraliser l’acide ?

De nombreuses réactions se déroulent quotidiennement, que ce soit dans notre organisme, lors de la cuisson d’un repas, d’un déplacement en voiture… Si nous portons peu d’attention à ces réactions, il existe d’autres situations dans lesquelles il peut être important de connaître les réactions chimiques qui s’y déroulent. Envisageons quelques-unes de ces situations.

Pour en savoir plus…

Des réactions acide-base dans notre quotidien

UAA 8

Pour en savoir plus...

181

Ré action acide - bas e

Chapitre 3

L’analyse de la composition reprise sur les étiquettes des deux produits commerciaux et la lecture des consignes de sécurité auraient permis d’éviter cet accident. La solution de Destop Instant® est une solution basique d’hydroxyde de sodium qui contient des ions OH–. Le second déboucheur est une solution d’acide sulfurique qui contient des ions H3O+. Lorsque ces deux solutions se sont mélangées dans la canalisation, une réaction acide-base très exothermique a eu lieu selon l’équation : perte de H

H3O+(aq) +

OH–(aq) →

H2O(l)

+ H2O(l)

capture de H+

L’usage de l’esprit de sel Lorsqu’un nouveau carrelage vient d’être posé, il est recommandé d’enlever, à l’aide d’une solution d’esprit de sel diluée, le fin film de ciment qui s’y dépose après la réalisation des joints.

Le bicarbonate de soude et les antiacides contre l’acidité et le reflux gastrique À l’issue d’un repas, certaines personnes sont sujettes à des reflux gastriques. L’acidité du contenu de l’estomac remonte le long de l’œsophage en provoquant une désagréable sensation de brûlure jusque dans la gorge. Pour remédier à cela, elles peuvent boire un verre d’une solution diluée de bicarbonate de soude NaHCO3 pour diminuer l’acidité. Le bicarbonate de soude ou hydrogénocarbonate de sodium vendu en pharmacie se présente sous forme d’une poudre blanche soluble dans l’eau. Le bicarbonate se dissocie dans l’eau selon l’équation :

H2O

NaHCO3 (s) ⎯→ Na+(aq) + HCO–3 (aq)

Les ions HCO3– réagissent avec les ions H3O+ du reflux gastrique selon l’équation : perte de H+ H3O+(aq) +

L’esprit de sel est une solution concentrée d’acide chlorhydrique HCl.

HCO–3(aq) → H2CO3(aq) +

H2O(l)

capture de H+

Avant de l’utiliser, il faut lire attentivement, sur l’étiquette, les mesures de précaution à prendre lors de son usage. Il est nécessaire de bien aérer la pièce lors de son utilisation.

Il existe aussi, pour combattre l’acidité stomacale, des comprimés ou des solutions vendus en pharmacie qui contiennent des hydroxydes. Ainsi, L’action de l’acide chlorhydrique sur le film de ciment se traduit par une réaction acide-base. Les ions hydronium H3O+ présents dans la solution d’esprit de sel réagissent avec les composés basiques qui constituent, entre autres, le ciment. À titre d’exemple, voici l’équation de la réaction entre un des composants du ciment, le sulfate de calcium CaSO4, et les ions H3O+ : perte de H+ 2+ H3O+(aq) + (Ca2+SO2– ) → HSO–4(aq)+ Ca(aq) + H2O(l) 4 (s)

capture de H+ 182

• le Maalox® est un antiacide à base d’hydroxydes de magnésium Mg(OH)2 et d’aluminium Al(OH)3 ; • le Gaviscon® contient un mélange d’hydroxyde d’aluminium et de bicarbonate de soude ; • … Il existe encore bien d’autres réactions acidebase utilisées dans notre quotidien.

UAA 8 Décrypter les étiquettes pour identifier les acides ou bases présents et écrire l’équation chimique de la réaction ayant lieu lors de différents phénomènes est une démarche qui pourra aider à comprendre, par exemple :

• le chaulage de certaines terres agricoles ; • le détartrage des cafetières électriques, des bouilloires… ; • …

Pour en savoir plus…

• l’effervescence d’un comprimé dans une solution aqueuse ;

183

ANNEXES Annexe 1 Tables de données Tab. 1. : Tables des acides et des bases courants Tab. 2. : Table des principaux cations Tab. 3. : Table des principaux anions Annexe 2 Tableau qualitatif de la solubilité dans l’eau (à 25 °C) de quelques sels et hydroxydes Annexe 3 Table des couples Ox/Red et des valeurs des potentiels standard de réduction E 0 (en volts) à 25 °C et 1 013 millibars Annexe 4 Liste des réactifs utilisés lors des expériences décrites dans ce manuel

Annexe 1 Tables de données Tab. 1. Table des acides et des bases courants Hydracides HF

acide fluorhydrique

ou fluorure d’hydrogène

HCl

chlorhydrique

chlorure

HBr

bromhydrique

bromure

iodhydrique

iodure

H2S

sulfhydrique

sulfure

HCN

cyanhydrique

cyanure

H2SiO3

acide silicique

ou silicate d’hydrogène

H3BO3

borique

borate

H2CO3

carbonique

carbonate

HNO2

nitreux

nitrite

HNO3

nitrique

nitrate

H3PO4

phosphorique

phosphate

H2SO3

sulfureux

sulfite

H2SO4

sulfurique

sulfate

HClO

hypochloreux

hypochlorite

HClO2

chloreux

chlorite

HClO3

chlorique

chlorate

HClO4

perchlorique

perchlorate

HBrO3

bromique

bromate

HIO3

iodique

iodate

Oxacides

Bases hydroxydées NaOH

hydroxyde de sodium (soude caustique)

KOH

potassium (potasse caustique)

Ca(OH)2

calcium (chaux éteinte)

Ba(OH)2

baryum

Mg(OH)2

magnésium

Base non hydroxydée NH3

218

ammoniac

Tab. 2. Table des principaux cations Ion

Nom systématique

Ion

Nom systématique

ion aluminium

ion potassium

Ag+

argent

Li+

lithium

Ba2+

baryum

Mg2+

magnésium

sodium

calcium

cadmium

cobalt (II)

NH4

ammonium

Cr3+

chrome (III)

Ni2+

nickel

Cu+

cuivre (I)

Pb2+

plomb (II)

cuivre (II)

étain (II)

fer (II)

étain (IV)

fer (III)

zinc

2+ 3+

2+ 4+ 2+

manganèse (II)

Tab. 3. Table des principaux anions Nom systématique

Ion

Nom systématique

–

ion bromure

I–

ion iodure

BrO3–

bromate

IO3–

chlorure

MnO4

permanganate

hypochlorite

NO2

nitrite

ClO2

chlorite

NO3

nitrate

ClO3–

chlorate

OH–

hydroxyde

ClO4–

perchlorate

PO43–

phosphate

CO3

carbonate

sulfure

Cr2O7

dichromate

SCN

thiocyanate

fluorure

SO3

sulfite

hydrogénocarbonate

SO42–

sulfate

–

ClO

– –

2– 2–

–

HCO3–

iodate –

– –

2– –

2–

Annexe 1

Ion

219

Annexe 2 Tableau qualitatif de la solubilité dans l’eau (à 25 °C) de quelques sels et hydroxydes Cations Anions Acétate

NH4+ Li+

CH3 — COO– 

Na+

K+ Mg2+ Ca2+ Ba2+ Al3+ Cu2+ Fe2+ Fe3+ Ni2+ Zn2+ Hg2+ Ag+ Sn2+ Pb2+



—





—



Nitrate

NO3–



Chlorure

Cl–









Bromure

Br–









Iodure

I–



—









Sulfate

SO42–







—





Sulfite

SO32–





—



—



—



—



Sulfure

S2–



—



—



Carbonate

CO32–









—



—



—



—



Hydroxyde

OH–









—



Phosphate

PO43–





—



Chromate

CrO42–





—



—



—



 = soluble  = insoluble (peu soluble) — = n’existe pas ou se décompose dans l’eau

220

Annexe 3 Table des couples Ox/Red et des valeurs des potentiels standard de réduction E 0 (en volts) à 25 °C et 1 013 millibars N°

Couple Ox/Red

E 0 (volts)

Équation de réduction

F2 / F–

2,87

F2 + 2e– → 2F–

S2O82– /SO42–

2,01

S2O82– + 2e– → 2SO42–

Co3+/Co2+

1,84

Co3+ + e– → Co2+

H2O2/H2O

1,78

H2O2 + 2H+ + 2e– → 2H2O

HClO/Cl2

1,63

2HClO + 2H+ + 2e– → Cl2 + 2H2O

HBrO/Br2

1,60

2HBrO + 2H+ + 2e– → Br2 + 2H2O

BrO–3 /Br2

1,52

BrO –3 + 6H+ + 5e– →

Au3+/Au

1,50

Au3+ + 3e– → Au

MnO4– /Mn2+

1,49

MnO4– + 8H+ + 5e– → Mn2+ + 4H2O

ClO3– /Cl2

1,49

ClO3– + 6H+ + 5e– →

PbO2/Pb2+

1,46

PbO2 + 4H+ + 2e– → Pb2+ + 2H2O

Cl2/Cl–

1,36

Cl2 + 2e– → 2Cl–

Cr2O72– /Cr3+

1,33

Cr2O72– + 14H+ + 6e– → 2Cr3+ + 7H2O

O2/H2O

1,23

O2 + 4H+ + 4e– → 2H2O

MnO2/Mn2+

1,21

MnO2 + 4H+ + 2e– → Mn2+ + 2H2O

IO3– /I2

1,19

Br2/Br–

1,07

Br2 + 2e– → 2Br–

NO3– /NO (HNO3 à 30 %)

0,96

NO3– + 4H+ + 3e– → NO + 2H2O

NO3– /HNO2 (HNO3 à 50 %)

0,94

NO3– + 3H+ + 2e– → HNO2 + H2O

ClO– /Cl–

0,90

ClO– + 2H+ + 2e– → Cl– + H2O

Hg2+/Hg

0,85

Hg2+ + 2e– → Hg

NO3– /NO2 (HNO3 à 75 %)

0,81

2NO3– + 4H+ + 2e– → 2NO2 + 2H2O

Ag+/Ag

0,80

Ag+ + e– → Ag

Fe3+/Fe2+

0,77

Fe3+ + e– → Fe2+

1 Cl + 3H2O 2 2

1 l + 3H2O 2 2

Annexe 3

lO3– + 6H+ + 5e– →

1 Br + 3H2O 2 2

221

222

O2/H2O2

0,68

O2 + 2H+ + 2e– → H2O2

MnO4– /MnO2

0,58

MnO4– + 2H2O + 3e– → MnO2 + 4OH–

I2 /I–

0,54

I2 + 2e– → 2I–

Cu+/Cu

0,52

Cu+ + e– → Cu

H2SO3/S

0,45

H2SO3 + 4H+ + 4e– → S + 3H2O

O2/OH–

0,40

O2 + 2H2O + 4e– → 4OH–

Cu2+/Cu

0,34

Cu2+ + 2e– → Cu

SO42– /H2SO3

0,17

SO42– + 4H+ + 2e– → H2SO3 + H2O

Cu2+/Cu+

0,16

Cu2+ + 1e– → Cu+

Sn4+/Sn2+

0,15

Sn4+ + 2e– → Sn2+

S/H2S

0,14

S + 2H+ + 2e– → H2S

S4O62– / S2O32–

0,09

S4O62– + 2e– → 2S2O32–

H+/H2

0,00

2H+ + 2e– → H2

Fe3+/Fe

– 0,04

Fe3+ + 3e– → Fe

CrO42– / Cr3+

– 0,12

CrO42– + 4H2O + 3e– → Cr3+ + 8OH–

Pb2+/Pb

– 0,13

Pb2+ + 2e– → Pb

Sn2+/Sn

– 0,14

Sn2+ + 2e– → Sn

Ni2+/Ni

– 0,23

Ni2+ + 2e– → Ni

Cd2+/Cd

– 0,40

Cd2+ + 2e– → Cd

Cr3+/Cr2+

– 0,42

Cr3+ + 1e– → Cr2+

Fe2+/Fe

– 0,44

Fe2+ + 2e– → Fe

S/S2–

– 0,48

S + 2e– → S2–

Cr3+/Cr

– 0,74

Cr3+ + 3e– → Cr

Zn2+/Zn

– 0,76

Zn2+ + 2e– → Zn

H2O/H2

– 0,83

2H2O + 2e– → H2 + 2OH–

Al3+/Al

– 1,71

Al3+ + 3e– → Al

Mg2+/Mg

– 2,37

Mg2+ + 2e– → Mg

Na+/Na

– 2,71

Na+ + 1e– → Na

Ca2+/Ca

– 2,76

Ca2+ + 2e– → Ca

Ba2+/Ba

– 2,90

Ba2+ + 2e– → Ba

K+/K

– 2,92

K+ + 1e– → K

Li+/Li

– 3,05

Li+ + 1e– → Li

Annexe 4 Liste des réactifs utilisés lors des expériences décrites dans ce manuel Liste des réactifs avec code(s) correspondant(s) aux pictogrammes de danger Les réactifs ayant un * dans la colonne usage ne peuvent pas être manipulés par les élèves. Réactif

Usage

Code

H2O déminéralisée

Réactif

Usage

Code

KMnO4(s)

3–7–9

3–5–9

Ba(NO3)2(s)

3–7

Ca(OH)2(s)

5–7

NaCl

AgNO3(s)

2–5

NaClO(aq) (eau de Javel)(< 10 %)

CaSO4(s) Cl2 (à préparer sur place)

3–4–6–8

Cu CuCl2(s)

7–9

CuSO4(s)

7–9

NaOH(s)

NH4SCN(s)

NH3(aq) (ammoniaque) (< 25 %)

5–7

Acide adipique (dans heptane)

2–7–8–9

Fe(NO3)3(s)

3–7

Hexaméthylène diamine

5–7

FeSO4(s)

CH4 (gaz naturel)

HCl (< 25 %)

5–7

Saccharose (sucre fin)

3–5

Vinaigre

HNO3 (> 65 %)

H2SO4 (< 15 %)

5–7

Codes correspondant(s) aux pictogrammes de danger1

SGH05

SGH02

SGH06

1. Renseignements obtenus sur le site www.inrs.fr.

SGH03

SGH07

SGH04

SGH08

SGH09

Annexe 4

SGH01

223

Index accumulateur au plomb 215 principe 215 et pile, que choisir ? 215 et voiture électrique 216 et voiture hybride 216 Li-ion 215 acide signification selon Arrhénius 177 définition selon Brönsted et Lowry 175 acide chlorhydrique 34 acide-base couple - conjuguée, définition 176 réaction - selon Arrhénius 177 réaction - selon Brönsted et Lowry 176 schéma général de la réaction - 176 théorie - selon Arrhénius 177 théorie - selon Brönsted-Lowry 175 acides et bases table des - courants 218 acidité d’une solution aqueuse (mesure) 159 échelle d’ - 161 alcane combustion complète d’un - 113 combustion explosive 115 combustion incomplète d’un - 115 définition 103 équation générale de la réaction de combustion d’un - 113 formule développée plane 103 formule moléculaire générale 103 formule semi-développée 103 alcène définition 103 formule développée plane 104 formule moléculaire générale 104 formule semi-développée 104 alcool effet de l’absorption d’alcool 59 et alcoolémie 58 alcoolémie signification 58 techniques de test 59 amidon 129 ammoniac commercial 34 ampholyte 177 anion(s) charge des - monoatomiques 8 définition 5 table des principaux -219 antiacides 182 argent, nettoyage d’objets en oxydés 194 Arrhénius théorie acide-base 177 aspirine 107 autoprotolyse de l’eau 159

base signification selon Arrhénius 177 définition selon Brönsted et Lowry 175 bicarbonate de soude 182 bière et pH 162 Brönsted et Lowry théorie acide-base 175 butane 114

caisson hyperbare 93 calculs rénaux 152 carbone, formes allotropiques du - 42 cation(s) charge des - monoatomiques 7 définition 5 table des principaux - 219 chimie organique origine de la - 106 domaine de la - 102 chlorure de sodium agent de conservation 28 comportement dans l’eau du - 23 et salage des routes 24 modèle d’une solution aqueuse de - 53 préparation du - 21 circuit imprimé, fabrication 207 comburant 112 combustible(s) sortes de - 112 pouvoir thermique d’un - , définition 117 tableau des pouvoirs thermiques des - 118 combustion complète d’un alcane 113 écriture de l’équation de la réaction de - d’un alcane 113 explosive d’un alcane 115 incomplète d’un alcane 115 composé(s) covalent, définition 35 inorganiques 102 ionique, définition 22 minéraux 102 modèle d’une solution aqueuse de covalents non polaires 55 organiques 102 peu solubles (convention) 147 solubles (convention) 147 concentration à l’état d’équilibre 68 avant réaction 68 calcul à l’équilibre 71 molaire 67 configuration spatiale prédiction de la - d’une molécule 51 d’une molécule, définition 50

constante d’autoprotolyse de l’eau 160 constante d’équilibre Kc calcul de la - 70 et degré d’avancement d’une réaction 69 expression de la - 69 corrosion du fer 204 couple(s) acide-base conjuguée, définition 176 analyse de la table des - Ox/Red 201 oxydoréducteur, rédox ou Ox/Red, définition 191 table des - Ox/Red 221 covalence définition 34 parfaite, définition 36 polarisée, définition 37 craquage 117 crèmes hydratantes 54

déboucheur de canalisation 181 degré d’alcool 57 degré d’avancement d’une réaction 69 degré de polymérisation 128 déplacement d’équilibre et variation de la concentration 86 et variation de la pression 87 et variation de la température 86 principe de Le Chatelier 88 règles pratiques 89 diamant 42 dihydrogène, préparation 33 dioxyde de carbone et effet de serre 37 dipôle 50 domaine des réactions complètes et incomplètes 69 doublet électronique 10 libre 36 duet d’électrons 8 modèle du - 8

eau autoprotolyse 159 constante d’autoprotolyse 160 de pluie et acidité 161 polarité de la molécule d’- 50 produit ionique 159 échelle d’acidité 161 de pH 162 écriture selon Lewis des formules de structure de molécules 38 écriture de l’ équation ionique de la réaction redox (métal et ion) 190 ionique de la réaction rédox (en milieu acide) 201

Index

225

de combustion complète d’un alcane 113 de dissociation d’un composé ionique 23 de la réaction acide-base (schéma général) 176 de la réaction de précipitation 148 de la réaction d’oxydoréduction (schéma général) 192 traduisant un système à l’état d’équilibre dynamique 67 électrode sacrificielle 204 électronégativité d’un atome 35 électrons appariés, définition 10 célibataires, définition 9 énergie d’activation 112 énergies fossiles, évolution de la consommation mondiale 111 EPO 95 équation de dissociation écriture de l’- d’un composé ionique 23 équilibre chimique : voir état d’équilibre dynamique esprit de sel, usage 182 état d’équilibre dynamique écriture de l’équation traduisant un système à l’ - 67 modèle d’un - 66 simulation de l’ - 79 système chimique à l’ - , définition 67 éthanol et boissons alcoolisées 57 modèle d’une solution aqueuse d’ - 54

Gillespie, théorie de - 50 graphène 44 graphite 43 Guldberg C.M et Waage P. loi de - 69

hémoglobine fonction 94 sport et dopage 94 hydrocarbure insaturé 103 saturé 102 hydroxyde de calcium, utilité 25

indicateur de pH et choux rouge 173 préparation d’une solution d’ - 173 indice de polymérisation 128 ion(s) acteur 148 charge des - polyatomiques 9 et nutrition 15 monoatomique, définition 5 spectateur 148

KC voir aussi constante d’équilibre 69 Kw 160

Le Chatelier principe de - 88 Lewis écriture des formules de structure des molécules 38 modèle de - des atomes des familles a 9 liaison covalente parfaite, définition 36 covalente polarisée, définition 37 covalente, définition 34 double 37 hydrogène 54 ionique, définition 22 triple 37 loi de de Guldberg et Waage 69

fer corrosion du - 204 protection contre la rouille 204 fièvre et oxygénation du sang 89 formule(s) développée plane d’un alcane 103 développée plane d’un alcène 104 écriture des-selon Lewis de molécules binaires 38 moléculaire d’un précipité 147 moléculaire générale d’un alcane 103 moléculaire générale d’un alcène 104 M semi-developpée d’un alcane 103 macromolécules naturelles 129 semi-developpée d’un alcène 104 maille cubique 22 fracturation hydraulique 122 matières plastiques frigolite 132 composition 127 fullérène 43 gestion des déchets 133 inconvénients 133 G production mondiale 127 gaz propriétés intéressantes 131 de schiste 122 valorisation chimique 134 inerte 7 valorisation énergétique 134 naturel 116 valorisation matière 133 226

méthane structure du - 34 gaz naturel 116 modèle d’un état d’équilibre dynamique 66 d’une solution aqueuse d’éthanol 54 d’une solution aqueuse de chlorure de sodium 53 de l’octet 7 du duet 8 dynamique 66 limites du - de l’octet 39 d’une solution aqueuse de composés covalents non polaires 55 de Lewis des atomes des familles a 9 molécule(s) conditions de la polarité des - covalentes 53 configuration spatiale d’une - , définition 50 écriture selon Lewis des formules de structure des - 38 polarité de la - d’eau 50 polarité des - et solubilté dans l’eau 53, 55 polarité ou non polarité des covalentes 53 prédiction de la configuration spatiale d’une - 51 monomère 128 monoxyde de carbone (formation et danger) 115 moteur thermique 118

neutralisation réaction de - 177 nylon 6,6 préparation 129 usages 131

octet d’électrons 7 limite du modèle de l’ - 39 modèle de l’ - 7 oxydant, définition 189 oxydation définition 189 réaction d’ - , définition 189 oxydoréduction réaction d’-, définition 190 schéma général de la réaction d’ - 192

pacemaker 213 paire liante 35 libre 36 pétrole distillation fractionnée 116 raffinage 116

produit ionique de l’eau Kw 160 propane 114 protéine 129 pyrolyse 101

raffinage du pétrole 116 réaction complète 69 d’ oxydation, définition 189 de combustion d’un alcane, équation générale 113 de neutralisation 177 de polyaddition 128 de polycondensation 129 de polymérisation, définition 128 de réduction, définition 189 directe 67 incomplète 69 inverse 67 réaction acide-base dans notre quotidien 181 écriture de l’équation de la - 176 schéma général de la - 176 selon Brönsted et Lowry 176 réaction d’oxydoréduction définition 190 écriture ionique de l’équation de la - (métal-ion) 190 écriture ionique de l’équation de la - (milieu acide) 201 pondération de l’équation ionique de la - 201 prévision de la - 201 schéma général de la - 192 réaction de précipitation et épuration des eaux 148 écriture ionique de la - 148 écriture moléculaire de la - 149 signification 146 réactions domaine des - complètes et incomplètes 69 réducteur, définition 190 réduction définition 189 réaction de - , définition 189 rouille, formation de la - 204

solubilité dans l’eau et polarité de la molécule 55 définition 146

solution acide 161 aqueuse et pH 162, 163 basique 161 neutre 160 saturée 66 saturée avec excès 66, 146 solution aqueuse et pH 162 modèle d’une - de cholrure de sodium 53 modèle d’une - d’éthanol 54 modèle d’une - de composés covalents non polaires 55 soude Solvay, utilité 24 système à l’état d’équilibre, condition 66 chimique à l’état d’équilibre dynamique 67 définition 65 isolé, définition 65 reconnaissance d’un - chimique à l’état d’équilibre, condition 66

table analyse de la - des couples Ox/Red 201 des acides et des bases courants 218 des principaux anions 219 des principaux cations 219 des couples Ox/Red 221 des potentiels standard de réduction E0 221 tableau de la solubilité dans l’eau de sels et hydroxydes 220 des polymères, identification et usage 130 des pouvoirs thermiques de combustibles 118 des principaux des polymères 128 téflon (PTFE) 129 théorie acide-base selon Arrhénius 177 acide-base selon Brönsted et Lowry 175 de Gillespie 50 triangle du feu 112

verres photochromes 194 voiture électrique et accumulateur 216

Index

pH définition 162 et l’organisme humain 167 et solutions aqueuses 163 mesure du - 163 papier pH 163 pHmètre 164 pile alcaline 212 bouton 213 de Volta 211 et accumulateur, que choisir ? 215 et énergie 212 plastiques voir aussi matières plastiques biocompatibles 137 biodégradables 138 polarité condition de - des molécules covalentes 53 de la molécule d’eau 50 des molécules covalentes 53 des molécules et solubilité dans l’eau 53, 55 polyaddition, réaction de - 128 polychlorure de vinyle (PVC) 128, 130 polycondensation, réaction de - 129 polyéthylène (PE) 128, 130 polyéthylènetéréphtalate (PET) 131 polyisobutène 128 PolyLactic Acid (PLA) 138 polymère(s) définition 128 identification et usage(s) 130, 131 thermoplastique 133 polymérisation par réaction d’addition 128 par réaction de condensation 129 réaction de - , définition 128 polypropylène (PP) 128, 130 polystyrène (PS) 129, 131 pont hydrogène 54 potentiel standard de réduction E° signification 201 table des - 221 pouvoir(s) thermique(s) d’un combustible, définition 117 tableau des - de quelques combustibles 118 précipitation, réaction de - 146 précipité formation d’un - 146 formule moléculaire d’un - 147 principe de Le Chatelier énoncé 88 règles pratiques 89

227

Table des matières Avant-propos �� III Comment utiliser ce manuel ? �� IV

5e année UAA 5 Les liaisons chimiques Chapitre 1 Formation et charge des ions. Modèle de l’octet et de Lewis �� 3 Pour en savoir plus… Quand ion rime avec nutrition… �� 15 Chapitre 2 Liaison ionique et composés ioniques �� 19 Pour en savoir plus… Le chlorure de sodium : un sel qui conserve… �� 28 Chapitre 3 Liaisons covalentes parfaite et polarisée �� 31 Pour en savoir plus… Le carbone sous toutes ses formes �� 42 Chapitre 4 Configuration spatiale et solubilité dans l’eau �� 47 Pour en savoir plus… Boire ou conduire… il faut choisir ! �� 57 UAA 6 Les équilibres chimiques Chapitre 1 L’état d’équilibre chimique ��63 Pour en savoir plus… Simulation expérimentale d’un état d’équilibre dynamique �� 79 Chapitre 2 Déplacement de l’équilibre chimique. Principe de Le Chatelier �� 83 Pour en savoir plus… Hémoglobine et dioxygène, un couple parfait �� 94

6e année UAA 7 Notions de base de chimie organique (alcanes, alcènes, polymères) Chapitre 1 Classification des composés organiques et inorganiques. Identification des alcanes et des alcènes �� 99 Pour en savoir plus… Force vitale et origine de la chimie organique �� 106 Chapitre 2 Combustion des alcanes �� 109 Pour en savoir plus… Gaz de schiste : un bon choix ? �� 122 Chapitre 3 Polymérisation et matières plastiques �� 125 Pour en savoir plus… Les plastiques BIO �� 137 UAA 8 Grandes classes de réactions chimiques (précipitation, acide-base, oxydoréduction)

Chapitre 1 Réaction de précipitation �� 143

Pour en savoir plus… Des précipités très douloureux : les calculs rénaux �� 152

Chapitre 2 Acidité et échelle de pH �� 155 Pour en savoir plus… Le pH et l’organisme humain �� 167 Chapitre 3 Réaction acide-base �� 171 Pour en savoir plus… Des réactions acide-base dans notre quotidien �� 181 Chapitre 4 Réaction d’oxydoréduction �� 185 Pour en savoir plus… Utilisation de réactions d’oxydoréduction �� 194 Chapitre 5 Prévision et écriture des équations ioniques des réactions rédox �� 197 Pour en savoir plus… Fabrication des circuits imprimés �� 207 Chapitre 6 Les piles �� 209 Pour en savoir plus… L’accumulateur ou « pile rechargeable » �� 215

Table des matières

229

Annexes �� 217 Annexe 1 Tables de données �� 218 Annexe 2 Tableau qualitatif de la solubilité dans l’eau (à 25 °C) de quelques sels et hydroxydes �� 220 Annexe 3 Table des couples Ox/Red et des valeurs des potentiels standard de réduction E 0 (en volts) à 25 °C et 1 013 millibars �� 221 Annexe 4 Liste des réactifs utilisés lors des expériences décrites dans ce manuel �� 223 Index �� 225

230